BÁO cáo THÍ NGHIỆM môn hệ THỐNG THÔNG TIN số

Sovới hệ thống thông tin điện sử dụng hệ thống cáp đồng cổ điển thì thông tin quang sửdụng hệ thông sợi quang cũng như các linh kiện phát, thu quang biểu hiện nhiều ưuđiểm: Tốc độ truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG -o0o -

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

HẢI PHÒNG, NĂM 2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I: HỆ THỐNG THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC 3

MÁY TÍNH 3

1.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG IPES 3

1.1.1 Ứng dụng máy tính trong phòng thí nghiệm 3

1.1.2 Hệ thống thực hành thí nghiệm tương tác máy tính - IPES 3

1.2 Mô tả panel thí nghiệm MCM40/EV 5

CHƯƠNG II: NỘI DUNG THỰC HÀNH 6

BÀI 1: SỢI CÁP QUANG ( OPTICAL FIBER I) 6

BÀI 2: TRUYỀN DẪN CÁP QUANG 15

BÀI 3 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐẤU NỐI 25

BÀI 4: NGUỒN PHÁT QUANG (OPTICAL SOURCES) 34

MỞ ĐẦU.

Hệ thống thông tin số được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác Sovới hệ thống thông tin điện sử dụng hệ thống cáp đồng cổ điển thì thông tin quang sửdụng hệ thông sợi quang cũng như các linh kiện phát, thu quang biểu hiện nhiều ưuđiểm:

Tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, có thể truyền được một lượng thông tinlớn; sợi quang có kích thước nhỏ, thuận tiện lắp đặt, vận chuyển, chất liệu thủy tinhbền vững với môi trường; tín hiệu truyền trong sợi quang không bị tác động của nhiễuđiện trường chẳng hạn như các máy móc công nghiệp, không bị nhiễu xuyên âm giữacác đường truyền, không có các tia nhiễu xạ ra ngoài nên tính bảo mật cao

Do những ưu điểm trên mà thông tin quang được sử dụng rộng rãi cho mạng điệnthoại, truyền số liệu trong mạng mày tính, truyền thanh, truyền hình…

Nội dung các bài thí nghiệm môn Hệ thống thông tin số tập trung về chuyên đềThông tin quang gồm:

CHƯƠNG I:HỆ THỐNG THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM TƯƠNG

TÁC VỚI MÁY TÍNH 1.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG IPES 1.1.1 Ứng dụng máy tính trong phòng thí nghiệm

Công nghệ máy tính có ảnh hưởng to lớn đến các hệ thống sản xuất trong suốt những thập kỷ qua.Các ứng dụng quan trọng của máy tính thể hiện trong nhiều lĩnh vực Cùng với xu hướng ứng dụng máy tính trong công nghệ ,nhiều hãng sản xuất thiết bị nghiên cứu, thí nghiệm hàng đầu thế giới cũng đã phát triển các phòng thí

nghiệm trên cơ sở ứng dụng máy tính- Computerizedlab.

Tiến bộ kỹ thuật trong lĩnhvực thiết bị nghiên cứu thí nghiệm có thể khái quát qua sự phát triển của ba mô hình thí nghiệm: mô hình thí nghiệm truyền thống

(manual: thí nghiệm thủ công),mô hình thí nghiệm có sự trợ giúp của máy

tính(computer aided)và mô hình thí nghiệm tương tác với máy tính(computerizedlab)

Thí nghiệm viên

Ngoại vi

đầu vào thí nghiệmPanel Ngoại vi đầu ra

Đối tượng thí nghiệm

Máy tính trợ giúp

Thí nghiệm viên

Đối tượng thí nghiệm

Máy tính tương tác

Hình 1.1 Các mô hình thí nghiệm

a) Mô hình thí nghiệm truyền thống (hình 1.1 a).

b) Môhìnhthínghiệmtrợgiúpmáytính - Computeraided (hình 1.1 b).

c) Mô hình thí nghiệm tương tác với máy tính - Computerized lab (hình 1.1 c).

Phòng thí nghiệm của chuyên ngành điện tử viến thông là loại mô hình thí nghiêmtương tác với máy tính.Nó giúp sinh viên nắm rõ lý thuyết đã được học trên lớp và sẽ

có 1 phần nào đó ứng dụng vào thực tế sau này

1.1.2 Hệ thống thực hành thí nghiệm tương tác với máy tính-IPES

IPES -Interactive Practical Electronics System: là hệ thống các bài thí nghiệm,

thực hành điện tử tương tác với máy tính, một họ sản phẩm của hãngElettronicaVeneta, Italia - một hãng sản xuất thiết bị dạy học hàng đầu thế giới

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống IPES

Cấu hình hệ thống tương tác máy tính (hình 1.2) bao gồm hai thành phần chính:

- Hệ thống phần cứng (bao gồm khối nguồn cung cấp (1), Panel tương tác (2),Module thí nghiệm (3), hộp chứa module thí nghiệm (4), HardLock kết nối phần cứng(Panel tương tác) với máy tính PC qua cổng kết nối LPT.

- Phần mềm thực hành thí nghiệm tương tác với Module thí nghiệm thông quaPanel tương tác

+ Khối nguồn cung cấp - PS1-PSU/EV: cung cấp nhiều cấp điện áp một chiều

cho panel thí nghiệm và panel tương tác Bao gồm các mạch chỉnh lưu và mạch ổn ápmod.BOX/EV Có các đèn led để hiển thị các điện áp đầu ra Khối nguồn cung cấpđược dùng chung cho tất cả các module được chế tạo bởi eletronica Veneta &IN.EL.S.P.A Điện áp ra của khối nguồn gồm:

Các đầu ra ra được chỉnh lưu, lọc và được bảo vệ quá tải quacầu chì S1: +30VDC/4A; S2: 24VDC/4A; S3: +5VDC/2A; S4:+12VDC/2A, -12VDC/1A Điện áp vào của khối nguồn:115/230Vac,±10%, 50/60Hz

+ Panel tương tác - Fault Unit: Hệ thống thực thành thí nghiệm tương tác máy

tính sử dụng panel tương tác loại SIS3/EV – là một giao diện phần cứng được ghép nốivới các module thí nghiệm và tương tác trực tiếp thông qua điều khiển từ phần mềmcài đặt trên máy tính và được điều khiển thông qua chuẩn kết nối song song LPT gắnkhóa bản quyền (HardLock) của hãng sản xuất thiết bị nhằm bảo mật và thực hiện cácgiao thức điều khiển từ máy tính có cài đặt phần mềm thí nghiệm

+ Các module thí nghiệm chính ký hiệu MCMi/EV: Trong đó “i” là chỉ số phân

biệt nội dung chuyên đề thí nghiệm

Để hiểu rõ hơn vấn đề đó môn Truyền dẫn số liệu thực hành trên modul MCM40/

EV sẽ làm rõ lên mọi vấn đề liên quan đến sự tương tác của mô hình nêu trên

1.1.3 Mô tả panel thí nghiệm MCM40/EV

Hình ảnh của MCM40/EV như sau:

Gồm các khối như sau:

Bộ thu tín hiệu tương tự (ANALOG DRIVER)

Bộ thu tín hiệu số ( DIGITAL DRIVER)

Trộn tín hiệu video/audio.(VIDEO/AUDIO MPX)

Điều chế FM (FM MODULATOR)

RS232 để thực hiện kết nối với mính tính

Giải mã tín hiệu.(DATA DECODER)

Chọn lệnh tương ứng (CODE SELECTOR)

Bộ dồn kênh(CHANNEL MULTIPLEREX)

Bộ tách kênh (CHANNEL DEMULTIPLEREX)

Giải điều chế FM (FM DEMODULATOR)

Giải điều chế tín hiệu tương tự (ANALOG RECEIVER)

Giải điều chế tín hiệu số ( DIGITAL RECEIVER)

Bộ tách tín hiệu AUDIO (AUDIO AMP)

Bộ tách tín hiệu VIDEO (VIDEO AMP)

Các thành phần này có thể được kêt nối với nhau theo mỗi bài tập để tạo nênmạch và hệ thống thông tin cáp sơi quang

Module MCM40/EV được cấp nguồn điện áp ±12V thông qua đầu nối B hoặccáp nguồn

Từ điện áp ±12V sẽ lấy ra điện áp ±5V

Đầu nối A phải được nối vào một trong các khối điều khiển SIS3

Các điện áp cung cấp và các tín hiệu được sử dụng bởi bộ ghép kênh tách kênhTDM và được đánh đấu trên đầu nối C (Add-on) Đầu nối này có thể sẽ được sử dụngtrong các ứng dụng sau này

Nội dung thực hành gồm 4 bài chi tiết như sau:

Bài 1: Cáp sợi quang

Bài 2:Truyền dẫn cáp quang

Bài 3:Các phương thức dấu nối COUPLINGS

Bài 4: Nguồn phất quang

CHƯƠNG II: NỘI DUNG THỰC HÀNH.

BÀI I:SỢI CÁP QUANG

I Mục đích thí nghiệm.

- Mô tả cấu trúc của cáp quang

- Mô tả sự truyền ánh sáng s trong cáp sợi quang

- Khái niệm về góc tới hạn và khẩu độ số

II Linh kiện vả thiết bị yêu cầu:

- Phần mềm tương tác máy tính IPES

- Nguồn cấp PUS/EV

- Modul SIS3/EV

- Modul thí nghiệm MCM40/EV

- Các loại cáp

III Nội dung thực hành.

Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, thông tin thường được mang bởicác tín hiệu điện hoặc điện từ Nhưng những năm gần đây một công nghệ mới trongtruyền dẫn thông tin thông qua các tín hiệu quang đã và đang phát triển

Những thành phần thiết yếu của hệ thống này là sự hỗ trợ mà ở trong đó mangcác yins hiệu quang và truyền tín hiệu quang này từ nguồn tới đích.Chức năng đượcthể hiện bởi sợi cáp quang

Các hệ thống thông tin cáp quang mang lại nhiều ưu điếmo với cáp phương tiệntruyền dẫn cáp thông thường đó là:

- Băng thông rộng hơn do vậy khả năng truyền cao hơn

- Khả năng chống nhiễu cao hơn

ELECTRICAL OPTICAL INTERFACE

ELECTRIC

SEGNAL

ELECTRIC SEGNAL

OPTICAL FIBER

- Giao diện điện-quang và nguồn quang

- Bộ tách sóng quang và giao diện quang – điện

Vật liệu của cáp sợi quang là phải trong suốt đối với ánh sáng được phát xạ từnguồn quang ở bên trong máy phát

Nhưng thuật ngữ cáp quang là chỉ chung cho tất cả các loại cáp quang được làm

từ những vật liệu khác nhau (thủy tinh, nhựa…) với kích thước và hoạt động khácnhau (ví dụ, độ suy hao từ nhỏ hơn 1dB/km)

Tầng đệm trung gian Ф410 mm

Tầng đệm thứ cấp Ф900 mm

Tầng đệm sơ cấp Ф250 mm

Lớp phủ sơn Ф125mm

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang với các lớp đệm 1.1.1Sợi quang trần.

Cấu trúc cơ bản mà cho phép truyền dẫn ánh sáng được gọi là sợi quang trần nóbao gồm phần lói và phần vỏ bọc

Tuy nhiên trên quan điểm cơ học, cấu trúc này rất dễ hỏng, vì thế để gia cố chosợi quang , một lớp bảo vệ được thêm vào và tạo ra cái gọi là cáp sợi quang đơn.Nhiều sợi quang đơn cuộn lại với nhau sẽ tạo ta cáp quang nhiều sợi

1.1.2 Phần lõi và lớp sơn phủ.

Cáp sợi quang bao gồm các lớp vật liệu đồng tâm với các đặc tính khác nhau.Lớp trung tâm (hạt nhân) của cáp được gọi là lõi, nó bao gồm một ống xilanh vật liệutrong suốt có chiết suất n1, một lớp vỏ bọc cũng trong suốt với chiết suất n2 (n2< n1)cuốn xung quanh sát với lõi

Kích thước của phần lõi và phần sơn phủ được chỉ ra đồng thời là đường kính củachúng (dưới dạng mm) và được phân tách bởi dấu xổ “/”

Ví dụ: cáp 50/125 có nghĩa là cáp này có phần lõi đường kính 50mm và phần sơnphủ đường kính 125mm

1.1.3 Các lớp đệm.

Cấu trúc sợi quang trần dễ bị hỏng, vì vậy nó được gia cố bởi các lớp vỏ khácnhau Thông thường, các lớp vỏ này bao gồm:

 Tầng đệm sơ cấp: làm băng nhựa thông epoxy

 Tầng đệm trung gian: làm bằng silicon

Phần gia cố

Lớp bọc ngoài

Tầng đệm thứ 2 Tầng đệm đầu

tiên Sợi

Hình 1.3 Cấu trúc của sợi quang đơn.

Cấu trúc sợi quang đơn cơ bản gồm lõi, tầng đệm sơ cấp và chúng có thể tạo ra 2loại cấu trúc tương ứng:

- Cấu trúc lỏng

- Cấu trúc chặt

Trong tầng thứ nhất, lớp sơn phủ được chèn vào trong ống nhựa bảo vệ Ống nàyđôi khi cũng được điền đầu thành phần nhựa tổng hợp để ngăn không cho nước thấmvào nhưng cũng kẹp chặt sợi dây Cấu trúc này thường được sử dụng vho những liênkết truyền thông có khoảng cách dài và cho phép có thể di chuyển sợi cáp, vì thế sự codãn của sợi cáp do sự thay đổi nhiệt độ môi trường có thể được bù lại Trong loại thứhai, sự bảo vệ tốt hơn nhưng có thêm xương tăng lực và lớp vỏ bọc thép

1.1.5 Sợi cáp quang đa thành phần.

Sợi quang đa thành phần bao gồm vài sợi quang đến vài trăm sợi quang

1.2 Quá trình truyền ánh sáng trong cáp sợi quang.

Để mô tả sự lan truyền của ành sáng trong cáp quang ta xét với cáp quang chiếtsuất bậc Trong loại cáp quang này, chiết suất trải qua sự biến đổi bước giữa lõi và lớpsơn phủ sau đó sẽ duy trì không đổi trong toàn bộ lõi

Hai loại cáp quang khác là: cáp quang đơn mode và cáp quang chiết suất gradien

Sự lan truyền ánh sáng bên trong cáp quang có thể được phân tích một cách xấp

xỉ đúng với các định luật quang hình Những định luật này chỉ ra rằng ánh sáng lantruyền thông qua sự phản xạ mà tia sáng trải qua 2 miền có chiết suất khác nhau ( lõi

và lớp sơn phủ) Giả sử rằng:

N0=1 : chiết suất của môi trương không gian tự do ( không khí)

N1 : chiết suất của lõi.

N2 : chiết suất của lớp sơn phủ

Không khí n=1

Lớp sơn phủ n2

Lõi n1

n2=1.46n1= 1.48 θo

θ1

Hình 1.4 Sự truyền ánh sáng trong cáp quang.

Tia sáng đi từ không khí vào trong lõi với góc tới θ0 so với trục của cáp quang.Tia sáng bị khúc xạ tại bề mặt không khí-lõi và đi vào lõi với góc θ1 khác so với θ0 vàtheo định luật Snell: n0.sinθ0= n1.sinθ1

Sự lan truyền của tia sáng bên trong cáp quang phụ thuộc vào góc tới của nó khitới bề mặt phân tách lõi-lớp phủ Nếu góc này nhỏ hơn một giá trị xác định θc (góc tớihạn), tia sáng sẽ không bị khúc xạ mà nó sẽ bị phản xạ toàn phần và sau đó lan truyền,tia sáng này được gọi là tia chủ đạo Ngược lại, nếu các mà tới bề mặt lõi-lớp phủ vớigóc tới vượt quá θc sẽ bị khuc xạ một phần, do vậy sẽ mất năng lượng trong một khônggian rất nhỏ hoặc sau một số lần phản xạ

Sự khúc xạ tại bề mặt lõi-lớp phủ cũng tuân theo định luật Snell Góc tới hạn chỉ

ra rằng tia bị khúc xạ với góc là 00 so với trục cáp quang Giả sử rằng:

Xác định giá trị lớn nhất của góc θ0 là góc tới sợi quang của tia sáng

Áp dụng phương trình n0.sinθ0= n1.sinθ1 với n0 = 1, ta sẽ có:

2 0

1 1

số lượng mode truyền sẽ giảm và do vậy băng thông sẽ rộng hơn nhưng việc đấu nốinguồn và cáp quang sẽ khó hơn

số lượng mode truyền sẽ giảm và do vậy băng thông sẽ rộng hơn nhưng việc đấu nốinguồn và cáp quang sẽ khó hơn

II Nội dung thí nghiệm.

- Không uốn cong các sơi quang với vòng quá hẹp

- Quan sát các sợi quang loại 1,2,3,4,5 được cung cấp cùng với module này

Câu hỏi 1: Lớp bên ngoài cùng là lớp gì?

Lựa chọn đáp án dúng:

1 Lớp lõi

2 Lớp đệm bằng sơn

3 Vỏ bọc của sợi quang trần

4 Vỏ bọc của cáp quang nhiều lõi

5 Lớp đệm thứ cấp

6 Vỏ bọc của cáp quang đơn

Đáp án: 6 Vỏ bọc của cáp quang đơn.

Câu hỏi 2: Tháo nắp cẩn thận khỏi một trong các đầu nối của các sợi quang loại 1

Lỗ nhỏ nằm ở giữa bề mặt đầu nối là cái gì?

1 Lỗ để sợi quang đi qua

2 Lỗ của bề mặt sợi quang trần

3 Lỗ cần thiết để làm sạch sợi quang bên trong cáp quang

4 Lỗ để chèn sợi quang khác vào

Đáp án: 2 Lỗ của bề mặt sợi quang trần.

- Tháo rời các nắp cẩn thận từ các đầu nối của cáp loại 1, 2, 3, 4, 5

- Đưa một đầu nối của một cáp đến nguồn sáng (ánh sáng mặt trời, đèn điện,…)

và quan sát lỗ của đầu nối kia của cùng cáp đó

- Tiến hành thao tác tương tự với các sợi còn lại

Câu hỏi 3: Điều nào sau đây đúng?

Lựa chọn đáp án đúng:

1 Cường độ ánh sáng như nhau ở tất cả các lỗ.

2 Lỗ sáng nhất ở cáp loại 1, yếu nhất ở cáp loại 4, các lõi của các sợi quang cócùng đường kính Lớp đệm của cáp loại 1 có đường kính rộng hơn của cáp loại5

3 Kích thước của các lỗ giảm dần từ cáp loại 1, loại 3, loại 4, và loại 5 có kíchthước tương đương Đường kính của lỗ phụ thuộc vào đường kính của sợiquang trần Cường độ điểm sáng giảm dần: cáp loại 1,loại 3, loại 4, loại 5 vàphụ thuộc vào đường kính của lõi

Đáp án: 3 Kích thước của các lỗ giảm dần từ cáp loại 1, loại 3, loại 4, và loại 5 có

kích thước tương đương Đường kính của lỗ phụ thuộc vào đường kính của sợi quang trần Cường độ điểm sáng giảm dần: cáp loại 1,loại 3, loại 4, loại 5 và phụ thuộc vào đường kính của lõi.

1.5 Các câu hỏi

Câu hỏi 4: Cấu trúc chính của một sợi quang bao gồm:

1 Lõi (lớp bên ngoài, bằng kính) và lớp đệm (xilanh bên trong, bằng nhựa)

2 Lõi (xilanh bên trong, bằng kính) và lớp đệm thứ cấp (lớp bên ngoài, bằngnhựa)

3 Lõi (xilanh bên trong, bằng kính hoặc nhựa) và lớp đệm (lớp bên ngoài có cùngchất liệu như lõi nhưng có chiết suất cao hơn)

4 Lõi (xilanh bên trong, bằng nhựa hoặc kính) và lớp đệm (lớp bên ngoài cùngchất liệu với lõi nhưng chiết suất thấp hơn)

Đáp án: 4 Lõi (xilanh bên trong, bằng nhựa hoặc kính) và lớp đệm (lớp bên ngoài

cùng chất liệu với lõi nhưng chiết suất thấp hơn).

Câu hỏi 5: Sợi quang trần có nghĩa là:

1 Lõi và lớp đệm, có thể được phân tách bằng dao cạo thích hợp

2 Lõi, lớp đệm sơn và các lớp đệm sơ cấp và thư cấp

3 Lõi và lớp đệm sơn không thể tách rời được

4 Sợi quang với tất cả các lớp vỏ bọc, ngoại trừ lớp vỏ bọc ngoài cùng

Đáp án: 3 Lõi và lớp đệm sơn không thể tách rời được.

Câu hỏi 6: Sợi quang 100/140 chỉ ra rằng:

1 Sợi quang dùng để truyền ánh sáng từ 100 đến 140nm

2 Chiết suất của lõi là 100 và của lớp đệm sơn là 140

3 NA là 100 và góc tới hạn là 140

4 NA là 100 và độ suy hao dB/km là 140

5 Đường kính lõi 100mm và lớp đệm sơn là 140mm

6 Đường kính lõi 100mm và lớp đệm sơn là 140mm

Đáp án: 6 Đường kính lõi 100mm và lớp đệm là 140mm.

Câu hỏi 7: Bên trong sợi quang chiết suất bậc, ánh sáng truyền:

1 Bằng cách khúc xạ liên tiếp bên trong lớp đệm sơn.

2 Bên trong lớp đệm sơn, bằng phản xạ trên bề mặt phân tách giữa lớp đệm sơn

và lớp đệm

3 Bằng khúc xạ liên tiếp bên trong lõi

4 Bên trong lõi, bằng phản xạ trên bề mặt phân tách giữa lõi và lớp sơn phủ

5 Bằng khuếch tán liên tiếp bên trong lớp sơn phủ

Đáp án; 4 Bên trong lõi, bằng phản xạ trên bề mặt phân tách giữa lõi và lớp sơn phủ.

Câu hỏi 8: Ánh sáng truyền trong sợi quang:

1 Đi tới với góc nhỏ hơn NA của sợi quang

2 Đi tới với góc lớn hơn góc tới hạn của sợi quang

3 Đi tới lớp sơn phủ

4 Đi tới với góc nhỏ hơn hơn góc tới hạn của sợi quang

5 Có bước sóng tương đương với NA của sợi quang

Đáp án: 4 Đi tới với góc nhỏ hơn góc tới hạn của sợi quang.

Câu hỏi 9: Điều nào sau đây đúng?

1 Góc tới hạn là hàm sin của NA NA của sợi quang đơn mode hẹp hơn của sợiquang chiết suất bậc

2 NA là hàm sin của góc tới hạn NA của sợi quang đơn mode rộng hơn sợiquang chiết suất bậc

3 NA là hàm sin của góc tới hạn NA của sợi quang đơn mode hẹp hơn sợi quangchiết suất bậc

Đáp án: 3 NA là hàm sin của góc tới hạn NA của sợi quang đơn mode hẹp hơn sợi quang chiết suất bậc.

BÀI 2: TRUYỀN DẪN CÁP QUANG

I Cơ sơ lý thuyết

2.1.1 Tần số chuẩn hóa.

Sự truyền sóng với các mode có thể được diễn giải tốt hơn nếu tần số chuẩn hóa

V và tần số cắt của một mode được định nghĩa

- Tần số chuẩn hóa V là thông số bao gồm tất cả các biến số chính mà sự truyềnsóng phụ thuộc vào đó là bước sóng của năng lượng tỏa ra, bán kính lõi, các chiết suấtcủa lõi và lớp sơn phủ

Nó được định nghĩa bởi công thức:

n1: chiết suất của lõi

n2: chiết suất của lớp sơn phủ

2.1.2 Chiết suất hiệu dụng và tần số cắt.

Giải pháp của hệ phương trình Maxwell sẽ dẫn đến các kết quả được tổng kết trong hình vẽ dưới

Khi biết giá trị của V, giá trị này chỉ phụ thuộc vào đặc tính hình học và cácthông số của sợi quang, năng lượng tỏa ra sẽ được truyền bên trong sợi quang thôngqua các mode có tần số cắt Vc nhỏ hơn V.

Từ hình vẽ trên, kết quả này của V sẽ dẫn đến các chú ý:

- Năng lượng tỏa ra truyền trong các mode HE11, TE01, TM01, HE21

- Chiết suất hiệu dụng ncf tương ứng với mode HE11 nhỏ hơn các mode khác.Điều này có nghĩa rằng trong mode này ánh sáng được truyền với tốc độ nhanhhơn các mode khác (tốc độ truyền sóng của ánh sáng bên trong đường truyền tỉ lệnghịch với chiết suất của đường truyền đó)

2.1.3 Đa mode và đơn mode.

Các sợi quang có thể được phân biệt với nhau thành sợi quang đơn mode và sợiquang đa mode theo số lượng mode tích cực

Sợi quang đơn mode phải có V<2.405, vì vậy ánh sáng có thể truyền theo modethứ nhất (mode cơ bản)

Hình 2.2 Ánh sáng đi vào cáp quang và đường truyền ánh sáng

Sự khác nhau giữa thời gian truyền của tia đồng trục (θ0=0) và tia tới hạn(θ0=θ0max) và do vậy θ1=θc với θc (với θc là góc tới hạn) có thể được tính như sau:

v





Áp dụng biểu thức cos( )c n n2 / 1

Ta có:

2 1 2.n

L Tc

Vì thế xung ánh sáng tới sợi quang với góc khác nhau sẽ đị ra sau thời gian được

mở rộng thêm sau khi đường đị của nó giảm trong sợi quang Hiệu ứng này, do cácmode truyền khác nhau được gọi là tán xạ toàn phần

Sự tán xạ toàn phần được biển diễn đơn vị ns/km và hiệu ứng của nó tăng lên khichiều dài của sợi quang tăng lên

Hình 2.3 Sự mở rộng xung do tán xạ toàn phần

Trong truyền dẫn số, tín hiệu được gửi bao gồm một chuỗi các xung, khi chúngđược mở rộng, những xung này sẽ gây nhiễu cho nhau và do đó không được giải mãtại máy thu

Hình dưới đây đưa ra 2 ví dụ của tín hiệu mà ở đó các xung nhận được bị mởrộng do tán sắc Rõ ràng sự tán sắc toàn phần sẽ giới hạn dung lượng truyền, đó là sốlượng xung được truyền trong 1 đơn vị thời gian Dễ thấy rằng thông số này ảnhhưởng đến băng thông của sợi quang

Hình 2.4 Ảnh hưởng của tán xạ toàn phần dến xung phát.

2.3 sự suy giảm tán xạ toàn phần: sợi quang chiết suất gradient và sợi quang đơn mode.

Sự tán xạ toàn phần có thể được giảm đáng kể khi một thiết bị đặc biệt được sửdụng trong chế tạo sợi quang

Các sợi quang được nghiên cứu cho đến thời điểm này là loại chiết suất bậc mà ở

đó có sự sại khác rõ rệt giữa chiết suất của lõi và lớp sơn phủ

2.3.1 Sợi quang chiết suất gradient.

Phương pháp để giảm tán sắc bao gồm chế tạo bởi lõi theo cách mà chiết suấtbiến đổi đều đặn từ tâm đến lớp sơn phủ

Hình 2.5 Sơ lược chỉ số khúc xạ và tán xạ toàn phần.

Dạng tôt nhất của chiết suất đó là hình parabol

Trong trường hợp này, ánh sáng sẽ khúc xạ liên tục, thay cho việc bị phản xạ bởilớp sơn phủ và đường đi của nó sẽ trở thành đường cong Các tia sáng tới với góc rộnghơn có khoảng đường dài hơn Nhưng do tốc độ truyền cao hơn bên ngoài lõi (do chiếtsuất thấp hơn), thời gian truyền của các tia sẽ được bù lại

Các sợi quang loại này được gọi là sợi quang chiết suất gradient và được đặctrưng bởi độ tán sắc thấp hơn sợi quang đa mode chiết suất bậc

Công thức xấp xỉ để xác định độ lệch thời gian truyền tối đa cho lõi có chiết suấtdạng parabol là;

Cùng với ví dụ ở trên ta sẽ nhận được;Tmax 0.1 /ns km

2.3.2 Sợi quang đơn mode

Làm nhỏ đường kính của lõi sẽ làm giảm hơn nữa độ tán sắc Nhắc lại diễn giảiđơn giản đã nghiên cứu ở phần trước để chỉ ra rằng ánh sáng truyền với chỉ 1 mode và

là tia đi thẳng Không có đa đường và sự sai khác trong thời gian truyền và dù vậy độtán xạ toàn phần được giảm đáng kể

Chiết suất này là chiết suất bậc, có xu hướng tối ưu hóa hoạt động cụ thể của sợiquang

2.4 Sự tán xạ đơn sắc

Một nguyên nhân khác gây ra sự mở rộng xung khi đi ra khỏi sợi quang đó làchiết suất và tốc độ của ánh sáng trong đường truyền phụ thuộc vào bước sóng củanăng lượng tỏa ra qua nó

Các nguồn quang được sử dụng không phải để phát ra bức xạ đơn sắc tinh khiết,

vì thế các thành phần với bước sóng khác nhau sẽ truyền với tốc độ khác nhau và dovây sẽ mở rộng xung Hiện tượng này được gọi là tán xạ phổ hoặc tán xạ vật liệu hoặctán xạ đơn sắc

Tán xạ đơn sắc biểu diễn bằng ps/nm.km Ví dụ, nếu sợi quang phải chấp nhận

độ tán sắc là 14ps/nm.km và nguồn sáng có phổ 70nm, tín hiệu sẽ được mở rộng xấp

xỉ 1ns sau mỗi chiều dài 1km của sợi quang

Tất nhiên, tán xạ đơn sắc có thể được tối thiểu thông qua sử dụng nguồn có phổhẹp như Diode laser

Trong sợi quang thủy tinh, nguyên nhân chính của suy hao do hấp thụ và suy hao

do tán xạ Kết hợp các suy hao đó ta sẽ có được đường cong suy hao bên trong

Hình 2.6 Đường cong đặc trưng suy hao của sợi quang thủy tinh đơn mode

1.6 Băng thông

Băng thông của sợi quang liên quan trực tiếp đến hiện tượng tán xạ Hiệu ứngcủa tán xạ có thể được mô tả theo thời gian hoặc tần số Trong thực tế, trễ tán xạ liênquan đến thời gian truyền của các tia sáng trong sợi quang bên cạnh, ảnh hưởng đếnhàm truyền và băng thông của sợi quang

Hàm truyền là tỉ số giữa biên độ tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào của một sợiquang có chiều dài nhất định, khi tần số điều chế của nguồn quang biến đổi.Hàmtruyền đạt cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, vì thế có những sợi quang được tối

ưu băng thông tại một miền phổ nhất định

Ví dụ: sợi quang có Bw=1000MHz.km sẽ cho phép truyền tải tín hiệu tới1000MHz nếu chiều dài 1km và tới 1000/5=200MHz nếu chiều dài là 5km.

Các giá trị tiêu biểu của băng thông là:

10-100GHz.km cho sợi quang đơn mode

300-3000MHz.km cho sợi quang đơn mode

10-30MHz.km cho sợi quang đa mode chiết suất bậc và sợi quang nhựa

0.5-0.2dB/m(660 nm)

Rấtcao

10 Truyền tín hiệu

analog và dữ liệu tốc

độ trung bình (10Mb/s) trên khoảng cáchngắn (<200m).truyền xa, bước sóng

660nmStep-

xa, bước sóng 660nmStep-

0.3-7dB/km(820 nm)

Trungbình

50 Truyền tín hiệu

analog và dữ liệu tốc

độ trung bình (10Mb/s) trên khoảng cáchtrung bình (<2km),bước sóng 820nmGraded

-Inder

50/12562.5/125

85/125

0.3

0.2-3dB/km(820 nm)1dB/km(1330 nm)

GHz,km

Truyền tín hiệuVideo và dữ liệu tốc

độ cao (200Mb/s)trên khoảng cáchtrung bình (<50km),bước sóng 820nm và1330nmSingle-

mode

8-10/125 <0.1 4dB/km

(1330 nm)25dB/km(1550 nm)

Rấtthấp

10GHz.km

Truyền tín hiệu số và

dữ liệu tốc độ cao(Gb/s) trên khoảngcách xa (<400km),bước sóng 1330nm

và 1550nm

1.8 Đặc tính của các sợi quang được sắp xếp theo module