Cáp sợi quang trong thông tin quang

LỜI MỞ ĐẦUThông tin đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống.Các mạng luới thông tin đã và đang phát triển không ngừng và ngày một hiện đại.Thông tin quang phát triển kéo theo nó là s

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống.Các mạng luới thông tin đã và đang phát triển không ngừng và ngày một hiện đại.Thông tin quang phát triển kéo theo nó là sự tấn công ồ ạt các mạng lưới,tạo tiền đề cho mạng thông tin có độ tích hợp cao,dung lượng lớn,cụ ly thông tin xa,không bị ảnh hưởng của nhiễu song điện từ,khả năng bảo mật thông tin cao.Khi Cáp sợi quang được đa vào khai thác trên mạng viễn thông đã chứng tỏ được những ưu thế đặc biệt đó Nước ta với một nền viễn thông trẻ cũng đang bắt kịp xu thế này.Đường trục Bắc – Nam ,mạng truyền hình …… đã và đang được xây dựng,đưa vào sử dụng là một khởi đầu khà thành công trong công cuộc hiện đại hoá nền viễn thông trong nước

Trong nội dung của bài Khoá luận tốt nghiệp này, em xin được giới thiệu về đề tài “ Cáp Sợi Quang trong thông tin Quang ” với nội dung sau : Chương I : Tổng quan về thông tin Quang

Chương II : Sợi Quang

Chương III : Cáp Quang

Chương IV : Kỹ thuật đo lường trong thông tin Quang

Chương V : Ứng dụng Cáp Sợi Quang vào mạng truyền dẫn

Mặc dù đã rất cố gắng,nhưng kiến thức của em vẫn còn hạn hẹp nên luận văn của em không thể có những hạn chế và thiếu xót.Vì vậy em rất mang các ý kiến đóng góp của các thầy cô để luận văn tốt nghiệp của em đạt kết quả tốt hơn ạ

CHƯƠNG I

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang

Từ xa xưa con người đã biết dùng ánh sáng để truyền thông tin thông qua khả năng nhận biết của đôi mắt Cho đến nay lịch sử phát triển của thông tin quang đã trải qua những bước phát triển và ngày càng được hoàn thiện qua những mốc thời gian sau:

- 1791 CLAUDE CHAPE Kỹ sư người Pháp đã phát minh và xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống bao gồm một chuỗi các tháp và các đèn báo di động đặt trên tháp

- 1870 JOHN TYNDALL: Nhà vật lý người Anh đã chứng minh ánh sáng có thể truyền qua một vòi nước uốn cong Thí nghiệm đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần

- Thông tin quang hiện đại được bắt đầu từ khi chế tạo loại Laser đầu tiên vào năm 1958 Đây là linh kiện phát ra tia sáng có cường độ mạnh và tính kết hợp cao nên có thể truyền đi xa

- 1960: Laser bán dẫn và Photodiote được thừa nhận vấn đề còn lại là môi trường truyền dẫn thích hợp

- 1970: Hãng Coring Glass warks chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao nhỏ hơn 20 db/km ở bước sóng 633nm

- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

Vào thời gian này Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo có tuổi thọ khá cao Dựa vào công nghệ sợi quang, bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một số lượng lớn các tín hiệu

âm thanh, dữ liệu đến các điểm cách xa nhau hàng trăm km bằng một sợi quang có kích thước như một sợi tóc mà không cần bộ tái tạo

* Ưu điểm của thông tin sợi quang

So với dây kim loại cùng trọng lượng và cự ly thì sợi quang có nhiều

ưu điểm nổi bật:

+ Suy hao thấp  kéo dài cự ly và giảm số trạm lặp

+ Băng thông rộng nên có thể truyền dẫn số tốc độ cao

+ Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ lắp đặt và chiếm ít diện tích + Hoàn toàn cách điện

+ Sợi được chế tạo từ nguồn nguyên liệu phong phú trong tự nhiên (thuỷ tinh, thạch anh)

+ Ngoài ra nó còn có độ bảo mật thông tin cao, tuổi thọ dài Dễ bảo dưỡng và có độ tin cậy cao Hơn nữa dùng sợi quang rất kinh tế và hiệu quả

- Trong thông tin sợi quang được ứng dụng:

+ Mạng đường trục quốc gia

+ Đường trung kế

+ Đường cáp thả biển liên Quốc gia

+ Đường truyền số liệu

+ Phát thanh truyền hình

+ Dùng cho y tế - điện lực và phục vụ anh ninh quốc phòng

1.2 Sơ đồ khái quát về hệ thống thông tin quang

Tín hiệu vào

(thoại, hình ảnh,

số liệu)

Bộ ghép kênh (MUX)

Chuyển đổi tín hiệu điện – quang (E/O)

Thu quang (O/E)

Mạch điện (sửa dạng)

Phát quang (O/E) Trạm lặp

Mối hàn

Phân nhánh quang Sợi quang

Chuyển đổi tín hiệu

Tín hiệu ra

(thoại, hình

ảnh, số liệu)

Bộ phận kênh (DEMUX)

Thu quang (O/E) Khuếch đại quang

Sơ đồ khái quát về hệ thống thông tin quang

1.3 Nguyên lý truyền dẫn ánh sợi trong sợi quang.

Pháp tuyến

n2

n1 > n2

3 2

1

3

1

2

c

  

2





c



1



Hình 1.1: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng với các góc tới khác nhau

Nguyên lý cơ bản truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách của hai môi trường khi nó đi từ môi trường loãng sang môi trường đặc hơn

Một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 < nl Tia tới hợp với pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc 1 Khi góc tới còn nhỏ Tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ Tia khúc xạ hợp với pháp tuyến một góc khúc xạ

2 Quan hệ của các góc 1 và 2 với các chiết suất n1 và n2 tuân theo định luật khúc xạ:

n1sin 1 = n2 sin 2 (1) Tăng dần góc tới khi tia tới đạt góc c thì nó không đi vào môi trường

2 nữa mà bị khúc xạ chạy song song với mặt phân cách Góc khúc xạ là

2=900 Theo (1) ta có:

Cho tia tới với góc tới  > c thì ta tới sẽ bị phản xạ hoàn toàn tại mặt phân cách trở lại môi trường 1 Do đó người ta gọi c là góc tới hạn Độ lớn của góc, tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường

Điều kiện có phản xạ toàn phần:

- Chiết suất nl > n2

- Góc tới  lớn hơn góc tới hạn c

1.4 Cấu tạo cáp sợi quang

Sợi gồm 1 lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính a đường kính dk

và l lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh 1 vật có chiết suất n2<n với đường kính là dm

Các tham số nl, n2, a quyết định đặc tính truyền dẫn sợi quang Người ta gọi đó là tham số cấu trúc từ nl, n2  định nghĩa:

- Độ lệch chiết suất: n = nl - n2.

- Độ chênh lệch chiết suất tương đối

2

x

n

dk

q

dn r

Hình 2: Cấu tạo sợi quang

Hình 3 : Cấu tạo sợi cáp quang

1.5 Phân loại cáp sợi quang

a Phân loại theo cấu trúc

Các sợi trong nhóm sợi quang phân bớ đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến

- Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên các rãnh

có sẵn trên một lõi cáp

- Cáp có cấu trúc băng dẹp Nhiều sợi cáp được ghép trên một băng và trong một cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau

- Cáp có cấu trúc đặc biệt: trong cáp có thể có các dây kim loại

b Phân loại mục đích sử dụng

- Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt

- Cáp trung kế giữa các tổng đài

- Cáp đường dài

c Phân loại theo điều kiện lắp đặt

- Cáp chôn trực tiếp

- Cáp đặt trong cống

- Cáp thả dưới nước

- Cáp treo ngoài trời

- Cáp dùng trong nhà

1.6 Dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.

Cấu trúc của sợi quang gồm 1 lõi bằng thuỷ tinh, có chiết suất lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn Chiết suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung là thay đổi theo bán kính < khoảng cách tính từ trục của sợi ra >

Sự biến thiên chiết suất theo bán kinh được viết dưới dạng tổng quát sau:

g (r)

1

n

n 1

a





 



 



với a > r; a  r

Trong đó: + n1: chiết suất lớn nhất ở lõi

+ n2: chiết suất lớp bọc

1

(n n ) n



  + a: bán kính lõi sợi + b: bán kính lớp bọc + g: số mũ quy định dạng biến thiên + r: khoảng cách tính từ trục đến điểm tính chiết suất Một số giá trị hay dùng của g:

g = l: dạng tam giác

g = 2: dạng parabol

g = : dạng nhảy bậc

Hình 4: Các dạng phân bố chiết suất

1.7 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI - MM

Là sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quay phóng vào đầu sợi quang với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau

Các tia sáng truyền trong lõi với vận tốc v =

1

c n

n1 không đổi trong toàn bộ lõi sợi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau

Vì nl > n2 của vỏ nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đáu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Do đó xảy ra hiện tượng tán sắc

Hình 5: Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc SI - MM

1.8 Sợi quang đa mốt có chiết suất giảm dần (MM - GI).

2

g (r)

1

n

n 1

a





 



 



với a < r < b; a  a

Hình 6 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI - MM quang đa mode chiết suất

giảm dần.

Vì chiết suất lõi thay đổi trên trục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nên tốc độ cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn

nhưng có vận tốc truyền lớn hơn v c

n



  và ngược lại

Tia truyền dọc theo trục sợi có đường truyền ngắn nhất nhưng có vận tốc nhỏ nhất vì suất ở trục là lớn nhất

Độ tán sắc của sợi GI nhỏ so với sợi SI

Góc mở e ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r vì n1 là hàm biến thiên theo r

N1 = nl (r) sin (r) =

2

r

n (r) n NA 1

a

 

 

- Trên trục sợi: r = 0 thì (0) = max

r = a thì (a) = 0

1.9 Sợi đơn mode có chiết suất bậc (SI - SM).

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền trong sợi thì gọi sợi là đơn mode Do chỉ có một bước sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do đường truyền bằng O và sợi đơn mode có dạng chiết suất phân bố nhảy bậc

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng

- Đường kính lõi: d = 2a = (9  10) m

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125 m

- Độ lệch chiết suất:  = 0,03 = 3%

- Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại GI) Đặc biệt ở bước sóng 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode, rất thấp

Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Vì kích thước sợi đơn mode rất nhỏ nên đòi hòi kích thước linh kiện quang điện cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác cao Các yêu cầu này hiện nay công nghệ đáp ứng được Do đó sợi đơn mode được dùng rất phổ biến

CHƯƠNG IV

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG TRONG THÔNG TIN QUANG

4.1 Khái quát

Trong bất cứ hệ thống thông tin quang nào, việc đo lường, xác định được tình trạng hệ thống là cực kỳ quan trọng Công việc này được tiến hành

do nhiều lý do

Đo kiểm tra chất lượng một hệ thống mới lắp đặt nhằm đưa vào sử dụng có hiệu quả cao nhất

Khi hệ thống bị xảy ra sự cố cần đo lường để kịp thời phát hiện sửa chữa dơ cáp quang có lượng thông tin lớn, nếu bị gián đoạn thì sự thiệt hại sẽ cực kỳ nghiêm trọng

Qua thời gian sử dụng hệ thống đã cũ cần được nâng cấp, mở rộng Muốn vậy cần biết rõ tình trạng của hệ thống, những chỗ ghép nối, suy hao

Các đại lượng đo thử, trong thông tin quang cũng như trong thông tin điện, công suất, độ rộng dải thông, tỷ lệ lỗi Nhìn chung ta chia việc đo thử

ra 2 việc như sau:

Đo thử tại phòng thí nghiệm và nơi sản xuất, mục đích để tính toán, thiết kế, chế tạo cáp và các thiết bị kèm theo sao cho tối ưu nhất

Các phép đo này thường phức tạp đòi hỏi chi phí lớn và thường dựa theo các khuyến nghị của CCITT

Đo thử trên các hệ thống xây lắp hoặc khai thác đo ở đây khác hẳn phòng thí nghiệm Công việc này được tiến hành nhằm phát hiện ra những chỗ hỏng, kém chất lượng để có biện pháp kịp thời xử lý Các thiết bị và đại lượng đo thử áp dụng trong thông tin quang hoàn toàn như trong thông tin

điện vì trong hệ thống truyền dẫn quang có hệ thống điện tử như các bộ ghép kênh, khuếch đại

4.2 Các phương pháp đo suy hao trên đường truyền dẫn quang

Trong thông tin quang hệ số suy hao là một trong những tham số quan trọng của sợi quang Nó cho phép xác định được độ suy hao tín hiệu truyền đi trên sợi quang từ đó có thể xác định được khoảng cách các trạm lặp, tránh mất mát thông tin

Để đo được độ suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn quang, thiết bị

đo gồm khối phát và khối thu với các nhiệm vụ sau:

- Khối phát quang bức xạ ánh sáng, có bước sóng và công suất ổn định vào sợi quang cần đo thử

Khi thực hiện phép đo đầu sợi quang có thể không đạt tiêu chuẩn lý tưởng hoặc bộ nối gắn hẳn ở đầu sợi dây suy hao phụ nằm trong kết quả đo

mà không thể loại trừ hoặc điều kiện kích thích truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang không được đảm bảo Vì vậy cần lưu ý để có được biện pháp hiệu chỉnh cơ cấu cho hợp lý

a Đo theo phương pháp cắt sợi

Đầu tiên ta tiến hành đo tín hiệu trên sợi quang có độ dài biết trước, giá trị có công suất quang ờ khối thu là P2 (dBm) Sau đó cắt sợi quang một đoạn dài L(cm) rồi nối khối thu vào đầu của đoạn ngắn này Kết quả đo thu được là

P1 (dBm) Độ tiên hao của sợi quang có độ dài là:

dB / km

L



Qua các đo trên ta thấy tiêu hao phụ của chỗ nối vào sợi cộng thêm vào trong phép đo sẽ xuất hiện ở cả giá trị P1 và P2 của cả 2 lần đo

Để có được suy hao trong phạm vi bước sóng từ thấp đến cao phải tiến hành đo  tại từng bước sóng Muốn vậy nên dùng nguồn quang có khả năng thay đổi được bước sóng

Tuy nhiên đây là phương pháp đo tiêu cực chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm hoặc tại nơi sản xuất Thực tế người ta không áp dụng kỹ thuật đo này vào cáp đã được thi công hay đang lắp đặt

b Đo theo phương pháp dùng sợi bổ sung

Giữa đầu ra khối phát và đầu vào khối thu Người ta nối lần lượt 2 đoạn sợi quang:

- Với đoạn sợi quang dài, công suất quang ra là P2

- Với đoạn sợi quang ngắn, công suất ra là Pl

Sau khi lấy độ dài đoạn sợi quang dài trừ đi đoạn ngắn độ dài đoạn còn lại là L, cũng có thể tần được độ tiến hao của đoạn sợi quang này theo công thức:

dB / km

L



Phương pháp này rất tiện lợi để đo trên các cáp thực tế

Ngoài ảnh hưởng của điểm đấu nối đầu sợi, các kết quả đo còn có thể

bị ảnh hưởng của các tác động khác như dòng tối diode quanh hoặc ảnh hưởng của ánh sáng khác xen vào Để tránh ảnh hưởng đó có thể áp dụng cách đo không liên tục Có thể điều biến nguồn quang với tần số thấp để làm gián đoạn công suất phát theo chu kỳ Sau đó dùng các bộ khuếch đại chọn lọc băng rất hẹp hoặc các bộ chọn lọc pha chính xác

Các thiết bị đo hiện nay cho phép đo đơn giản, chính xác trên các sợi quang công tác ở cả 3 cửa sổ ánh sáng Bên cạnh các phương pháp trên người

ta đã hoàn thiện được một phương pháp khác có khả năng đo được tiêu hao của sợi Đồng thời kiểm tra được tình trạng của sợi quang để đề ra được những biện pháp kịp thời Đó là phương pháp đo xung phản xạ

c- Đo theo phương pháp đo xung phản xạ:

Nếu vì một nguyên nhân nào đó mà sợi quang bị đứt thì cần phải xác định được vị trí chính xác chỗ đứt Cũng như ở cáp kim loại người ta cũng cần phải biết những chỗ không đồng nhất trên sợi quang, có thể cả đặc tính biến đổi cả suy hao của nó trên toàn bộ độ dài đường cáp Kỹ thuật đo xung phản xạ đáp ứng được điều này

Nguyên lý hoạt động của phương pháp đo này là phát các xung ánh sáng vào sợi quang, theo dõi thời gian các xung phản xạ lại đầu vào trên thiết

bị đo Dựa vào vị trí trên màn hình độ lớn năng lượng của sóng phản xạ này

mà có thể xác định được vị trí, tính chất của sự cố xảy ra trên đường truyền cáp quang Cơ chế hình thành các xung phản xạ ngược:

Người ta thả các xung thăm dò vào sợi quang, khi có chỗ không đồng nhất như chỗ bị đứt thì sẽ có vùng chuyển đổi không khí - thuỷ tinh có chiết suất thay đổi sóng ánh sáng sẽ phản xạ một phần năng lượng về đầu vào

Phần công suất phản xạ được tính theo công thức:

2

1 2

1 2

P







Với n2 = 1 là chiết suất của không khí và n1 = 1,5 là chiết suất của sợi thuỷ tinh thạch anh thì phần công suất phản xạ về là 0,04, nghĩa là tại chỗ sợi

bị đứt thì công suất ánh sáng bị mất đi 4% do phản xạ

Vận tốc ánh sáng lan truyền trong sợi là:

1

C V n



Thời gian từ lúc gửi xung thăm dò đến lúc nhận được xung phản xạ về đến đầu vào là t thì sẽ tính được khoảng cách đến chỗ sợi đứt là:

v.t L 2

