GIỚI THIỆU về sợi QUANG 2

Phát quang Máy phát quang chuyển đổi tín hiệu điện analog hoặc tín hiệu số sang một loại tín hiệu tín hiệu quang học tương ứng, các tín hiệu quang học này được phát ra từ các diode phát

GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG

( Introduction to Fiber Optics )

Công nghệ, nguyên lý hoạt động, ưu điểm của chúng so với dây đồng truyền thống

Giới thiệu

Chúng ta hiện nay đang trong thời đại của công nghệ đó là kết quả của những nghiên cứu và các phát minh rực rỡ Nhưng nó là khả năng của chúng tôi để truyền tải thông tin và các phương tiện truyền thông chúng ta đang sử dụng để làm điều đó.mà đúng hơn là trách nhiệm đến phát triển của nó Phát triển từ dây đồng của những thế kỷ trước đến cáp quang ngày nay, chúng tôi ngày càng cố gắng làm tăng khả năng truyền tải thông tin được nhanh chóng hơn và với khoảng cách được dài hơn để mở rộng và phát triển công nghệ trong mọi lĩnh vực

Cáp quang sợi thủy tinh ngày nay có băng thông gần như không giới hạn và có

ưu điểm vượt trội hơn tất cả các phương tiện truyền dẫn phát triển trước đó Một hệ thống truyền dẫn cáp quang điểm- điểm cơ bản bao gồm 3 yếu tố: Phát quang, cáp quang truyền dẫn và thu quang

Phát quang

Máy phát quang chuyển đổi tín hiệu điện analog hoặc tín hiệu số sang một loại tín hiệu tín hiệu quang học tương ứng, các tín hiệu quang học này được phát ra từ các diode phát quang, VCSEL hoặc một loại laser diode ở trạng thái rắn Bước sóng phổ biến của các loại máy phát quang chủ yếu hiện nay là 850, 1310 hoặc 1550 nanomet

Most Fiberlink® and Pure Digital Fiberlink® là các thiết bị truyền thông đặc biệt được sản xuất hoạt động ở dải bước sóng 850 hoặc 1310nm

Sợi quang

Sợi cáp quang bao gồm một hoặc nhiều sợi thủy tinh hoạt động như một ống dẫn sóng cho các tín hiệu quang (ánh sáng) Cáp quang cũng có cấu tạo tương tự như các loại cáp điện , nhưng nó có thêm các phần bảo vệ đặc biệt cho các sợi quang bên trong Đối với các hệ thống đòi hỏi phải truyền dẫn tín hiệu đi xa nhiều

km hoặc nơi có 2 hoặc nhiều sợi cáp quang thì cần phải sử dụng một mối nối quang

để nối chúng lại với nhau

Thu quang

Máy thu quang chuyển đổi tín hiệu quang học trở lại giống như tín hiệu điện ban đầu Các loại máy dò của tín hiệu quang có thể dùng PIN- loại photodiode hoặc avalanche- loại photodiode

Fiberlink ® và Pure Digital Fiberlink ® sử dụng thiết bị nhận PIN loại diode tách sóng quang

Ưu điểm của hệ thống sợi quang

Hệ thống truyền dẫn cáp quang – một máy phát quang và máy thu quang, được kết nối bằng cáp quang – cho ta nhiều lợi ích mà truyền dẫn bằng dây đồng và cáp đồng trục truyền thống không có được Cụ thể như sau:

1 Khả năng thực hiện cung cấp nhiều thông tin với độ tin cậy lớn hơn so với cáp soắn đôi và cáp đồng trục

2 Cáp quang có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn với khoảng cách xa hơn so với cáp đồng trục, là một hệ truyền tải kỹ thuật số lý tưởng

3 Các sợi không bị ảnh hưởng với hầu như tất cả các yếu tố bao gồm sét, và sẽ không dẫn điện Do đó nó có thể tiếp xúc trực tiếp với điện áp cao, thiết bị điện và đường dây điện Nó cũng sẽ không tạo ra các ảnh hưởng đến tín hiệu của bất cứ loại nào

4 Như sợi cơ bản được làm bằng thủy tinh, nó sẽ không bị ăn mòn và không bị ảnh hưởng bởi hầu hết các hóa chất Nó có thể được chôn trực tiếp trong hầu hết các loại đất hoặc tiếp xúc với hầu hết các môi trường

ăn mòn trong nhà máy hóa chất mà không phải quan tâm đáng kể

5 Khi tín hiệu trong sợi chỉ là ánh sáng, không có khả năng của một tia lửa khi một sợi bị phá vỡ Ngay cả trong môi trường dễ nổ nhất của bầu khí quyển sẽ không có nguy cơ cháy, và không có nguy cơ điện giật cho nhân viên sửa chữa sợi bị hỏng

6 Cáp quang hầu như không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí quyển ngoài trời, cho phép chúng được mắc trực tiếp lên cột điện thoại hoặc cáp điện hiện tại mà không quan tâm đến sự ảnh hưởng các tín hiệu với nhau

7 Một dây cáp quang, thậm chí trong dây cáp quang đó có chứa nhiều sợi, thường nhỏ hơn nhiều và trọng lượng nhẹ hơn so với một sợi dây hoặc cáp đồng trục với lượng truyền tải thông tin tương tự Nó dễ dàng hơn

để xử lý và cài đặt, và sử dụng không gian ống dẫn ít hơn (Nó thường xuyên

có thể được cài đặt không có ống dẫn.)

8 Cáp quang là lý tưởng cho các hệ thống thông tin liên lạc an toàn bởi vì nó rất khó khăn để khai thác nhưng rất dễ dàng để theo dõi Ngoài

ra, hoàn toàn không có bức xạ điện từ sợi quang

Làm thế nào là cáp quang có thể cung cấp tất cả các ưu điểm như vậy? Tài liệu này sẽ cung cấp một tổng quan về công nghệ cáp quang - với phần dành riên cho mỗi một trong ba thành phần hệ thống - phát, thu, và cáp quang

Máy phát quang

Máy phát quang cơ bản chuyển đổi tín hiệu đầu vào điện để điều chế thành ánh sáng truyền qua sợi quang học Tuỳ theo tính chất của tín hiệu, ánh sáng được điều chế kết quả có thể được bật và tắt hoặc có thể tuyến tính thay đổi về cường độ giữa hai mức xác định trước

(Các phương pháp điều chế quang học cơ bản)

Các thiết bị phổ biến nhất được sử dụng như là nguồn ánh sáng trong truyền quang là các diode phát ra ánh sáng (LED), phát theo chiều dọc laser (VCSEL) và

các diode laser (LD) Trong một hệ thống cáp quang, các thiết bị được đặt trong một khối cho phép một sợi quang được đặt rất gần đến khu vực phát ra ánh sáng để sợi quang nhận đượ càng nhiều ánh sáng càng tốt Trong một số trường hợp, thiết bị

phát còn được trang bị một ống kính hình cầu nhỏ để hội tụ và tập trung "từng giọt cuối cùng" của ánh sáng vào sợi và trong các trường hợp khác, một nút thắt sợi trực

tiếp lên bề mặt thực tế của máy phát

Đèn LED có khoảng phát ra tương đối lớn và kết quả là không tốt bằng nguồn sáng như LD Tuy nhiên, chúng được sử dụng rộng rãi trong truyền tín hiệu khoảng cách truyền dẫn ngắn đến trung bình vì nó có lợi nhiều kinh tế, tín hiệu ra khá tuyến tính so với tín hiệu điện đầu vào và ổn định về ánh sáng đầu ra so với nhiệt độ môi trường hoạt động.Mặt khác LD tạo ra ánh sáng rất nhỏ phát ra bề mặt và có thể nhiều hơn vài lần so với sợi hơn đèn LED LD cũng cho ánh sáng đầu ra tuyến tính ánh sang đầu vào dòng điện, nhưng không giống như đèn LED, nó không ổn định hơn nhiều trong phạm vi nhiệt độ hoạt động và yêu cầu mạch phức tạp hơn để đạt được độ ổn định chấp nhận được Ngoài ra, chi phí làm các bộ nâng cao tín hiệu làm cho LD chủ yếu hữu ích cho các ứng dụng đòi hỏi việc truyền tín hiệu trên một khoảng cách dài

Đèn LED, VCSELs và LD hoạt động trong dải hồng ngoại để đầu ra ánh sáng không thể nhìn được bằng mắt thường.Bước sóng hoạt động của chúng được lựa chọn để tương thích với mức thấp nhất tổn thất truyền tải của sợi thủy tinh và phạm

vi độ nhạy cao nhất của photodiode Các bước sóng phổ biến nhất được sử dụng hiện nay là 850 nm, 1310 nm, và 1550 nm Cả hai đèn LED và LD đều nằm trong tất cả ba bước sóng.Tuy nhiên VCSELs chỉ có hoạt động ở 850nm

Như đã nói, đèn LED và LD được điều chế theo một trong hai cách khác nhau, on/ off, hoặc tuyến tính Hình 3 cho thấy mạch đơn giản để sử dụng được một trong hai phương pháp với một đèn LED hoặc LD Như có thể thấy trong hình 3A,LED hoặc LD với một tín hiệu số đầu vào transistor được sử dụng như một công tắc, on

và off trong bước hoạt động Tín hiệu này có thể được chuyển đổi từ hầu như bất kỳ định dạng số của mạch thích hợp, vào đúng chân điều khiển base của bóng bán dẫn Tốc độ chuyển mạch sau đó được xác định bởi mạch và tốc độ vốn có của LED hoặc LD Sử dụng theo cách này,có thể dễ dàng đạt được tốc độ vài trăm MHz đối với đèn LED và hàng ngàn của megahertz với LD Mạch ổn định nhiệt độ cho LD

đã được bỏ qua trong ví dụ này cho đơn giản Đèn LED thông thường không đòi hỏi bất kỳ ổn định nhiệt độ

Điều chế tuyến tính cho một đèn LED hoặc LD được thực hiện bằng các mạch khuếch đại trong hình 3B Đầu vào đảo được sử dụng để cung cấp dòng cho chân base của transistor với đèn LED hoặc LD trong khi đầu vào không đảo được cung cấp một điện áp DC tham chiếu Một lần nữa, mạch ổn định nhiệt độ cho LD đã được bỏ qua trong ví dụ này cho đơn giản

(Phương pháp điều biến dùng LED hoặc laser diodes)

Tín hiệu số on/off được tạo ra từ LED hoặc LD có thể chưa chuẩn.Như chúng

ta đã thấy, cách đơn giản nhất ta coi ánh sáng bật có mức logic là 1 và ánh sáng tắt

có mức logic là 0 Đây là 2 giá trị phổ biến trong việc điều chế độ rộng xung nhịp.trước đây một xung được tạo ra với một độ rộng được coi là 1 và ở độ rộng khác được coi là 0, sau này khi tất cả các xung cùng có một độ rộng nhưng theo sự thay đổi xung nhịp để phân biệt được giữa mức logic 1 và 0

(Hình 4 - Các phương pháp khác nhau để truyền tải thông tin quang học tương tự)

Điều chế tương tự cũng có thể có một số phương thức Đơn giản nhất là điều chế cường độ mà độ sáng của một đèn LED được thay đổi trong trực tiếp từng bước với các biến đổi của tín hiệu truyền Trong các phương pháp khác, một sóng mang

RF có tần số đầu tiên được điều chế với một tín hiệu khác, trong một số trường hợp, một số sóng mang RF được điều chế riêng với tín hiệu riêng biệt, sau đó tất cả được kết hợp và truyền như là một dạng sóng phức hợp Hình 4 cho thấy tất cả các phương pháp điều chế ở trên là một dạng của ánh sáng đầu ra

Tần số hoạt động tương đương với ánh sáng từ 1.000.000 GHz Các băng thông đầu ra của tia sáng do đèn LED và Laser điốt khá rộng Thật không may, công nghệ ngày nay không cho phép băng thông này được chọn lọc được sử dụng theo cách mà truyền tần số vô tuyến thông thường được sử dụng Thay vào đó, toàn

bộ băng thông quang học on và off trong cùng một cách mà sớm "máy phát tia lửa" (trong giai đoạn trứng nước của đài phát thanh), mở rộng phần quang phổ RF bật và tắt Tuy nhiên, thời gian hiện nay, các nhà nghiên cứu sẽ vượt qua trở ngại này và

"truyền liên tục", như chúng được gọi, sẽ trở thành hướng đi mà lĩnh vực sợi quang phát triển

Cáp quang - Khởi Đầu Cho ánh sang

Một khi máy phát đã chuyển đổi tín hiệu đầu vào điện thành bất cứ điều gì dưới dạng ánh sáng và được điều chế như mong muốn, ánh sáng phải được "đưa" ra sợi quang học

Như đã đề cập trước đó, có hai phương pháp mà bởi ánh sáng được ghép vào trong một sợi Một là bằng pigtailing Cách khác là bằng cách đặt đầu của cáp quang rất gần một đèn LED hoặc LD Trong trường hợp đặt gần nhau thì khớp nối

được sử dụng, số lượng ánh sáng sẽ vào sợi phụ thuộc vào một trong bốn yếu tố: cường độ của LED hoặc LD, diện tích bề mặt phát ra ánh sáng, góc chấp nhận, và những tổn thất do phản xạ và tán xạ Sau đây là một vài thảo luận về mỗi yếu tố trên:

Cường độ

Cường độ của một đèn LED hoặc LD là một chức năng trong thiết kế của nó

và thường được quy định về độ lớn tín hiệu phát ra hiện nay Đôi khi,thông số này được cho là thực tế tất cả các tín hiệu được đưa vào một loại cáp quang.Tất cả các yếu tố khác không đổi, cường độ mạnh hơn là được cung cấp bởi một đèn LED hoặc LD đưa thêm tín hiệu"tung" vào sợi

Diện tích

Lượng ánh sáng "tung" ra trong một sợi là một hàm của diện tích ánh sáng phát bề mặt so với diện tích của lõi chấp nhận ánh sáng của sợi Nhỏ hơn tỷ lệ này

là nhiều ánh sáng được "tung" ra vào sợi

Góc chấp nhận

Góc chấp nhận một sợi được thể hiện trong quy định của khẩu độ số.Khẩu độ

số (NA) được định nghĩa là sin của một nửa góc chấp nhận của sợi Giá trị NA điển hình là 0,1-0,4 mà tương ứng với góc độ chấp nhận 11 độ đến 46 độ Quang sợi chỉ truyền ánh sáng đi vào một góc bằng hoặc ít hơn hơn góc chấp nhận với các sợi đặc biệt

Suy hao khác

Khác với các obstructions trên bề mặt của một cáp quang, luôn luôn có một tổn thất do sự phản xạ từ lối vào và lối ra bề mặt của bất kỳ cáp quang nào Sự tổn thất này gọi là Fresnell Loss và bằng khoảng 4% giữa mỗi chuyển tiếp không khí và thủy tinh Có gel khớp nối đặc biệt có thể được áp dụng trên bề mặt để giảm sự tiêu hao này khi cần thiết

Các loại sợi quang

Có hai loại sợi quang được sử dụng ngày nay: Through Step và Graded Index Như hình 5 minh họa, ánh sáng truyền qua hai sợi quang khác nhau theo hai cách khác nhau

(Truyền dẫn ánh sáng sợi quang bằng Through Step và Graded Index)

Như thể hiện trong hình vẽ, sợi Step-Index bao gồm một lõi thủy tinh chiết suất thấp bao quanh bởi một lớp áo có chiết suất thấp hơn cả chiết suất của lõi Sự khác biệt về chiết suất giữa hai loại là nguyên nhân để ánh sáng truyền liên tục

"phản xạ hoàn toàn" giữa lõi và lớp áo dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi thủy tinh Trong sợi graded index, chỉ có một loại thủy tinh được sử dụng, nhưng nó được xử

lý để chiết suất giảm dần Kết quả của quá trình này là ánh sáng liên tục uốn cong

về phía trung tâm của sợi giống như một ống kính liên tục

Sợi quang được xét tỉ số kích thước của lõi / áo, với đơn vị là micromet Hiện nay, có ba loại kích thước phổ biến sử dụng chung mặc dù các loại kích thước khác vẫn tồn tại cho các ứng dụng đặc biệt Tỉ số 50/125 và 62.5/125 với sợi đa mode và 8-10/125 với sợi đơn mode Các sợi có lõi 50 và 62,5 micromet thường dùng với đèn LED và VCSELs, và thường được sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn điểm-điểm có chiều dài ngắn và trung bình.Lõi sợi 8-10 micromet được tạo ra bởi một tia laser diode và thường được sử dụng cho các mục đích viễn thông đường dài

Tổn hao trong sợi quang

Khác với tổn hao trong khớp nối của đèn LED hoặc LDS với một sợi quang,

có những suy hao xảy ra khi ánh sáng truyền qua sợi thực tế Lõi của một sợi quang được làm bằng thủy tinh siêu tinh khiết có chiết suất thấp mất Muốn ánh sáng có đi thể qua hàng ngàn mét hoặc nhiều lõi sợi, thì độ tinh khiết của kính phải cực kỳ cao

Để đánh giá độ tinh khiết của thủy tinh này, hãy xem xét thủy tinh trong khung cửa

sổ chung Chúng ta nghĩ về tấm kính cửa sổ là "sạch" cho phép ánh sáng để tự do đi qua, nhưng điều này là bởi vì tấm kính chỉ dày có 1/16 ¼ inch Ngược lại với sự xuất hiện rõ ràng này, các cạnh của một tấm kính cửa sổ trông xanh và gần như mờ đục Trong trường hợp này, ánh sáng đi cùng nhau vào thủy tinh, thông qua một vài inch Chỉ cần tưởng tượng như thế nào ít ánh sáng sẽ có thể đi qua một ngàn bộ kính cửa sổ!

Hầu hết các mục đích chung trên các sợi quang là có tiêu hao khoảng 3-4 dB mỗi km (60% 75% tổn thất mỗi km) ở bước sóng 850nm Khi bước sóng là thay đổi đến 1310nm, sự tổn hao giảm xuống khoảng 1-2 dB (50% đến 60%) cho mỗi km Tại 1550nm, nó thậm chí còn thấp hơn Sợi cao cấp cho biết sẵn tổn hao 3 dB (50%) cho mỗi km ở 850nm và 1 dB (20%) cho mỗi km ở 1310nm thiệt hại về 0,5

dB (10%) cho mỗi km ở 1550nm không phải là hiếm Những tổn hao này chủ yếu kết quả của sự tán xạ ngẫu nhiên của ánh sáng và hấp thụ bởi các tạp chất thực tế có trong thủy tinh Một nguyên nhân khác của sự tiêu hao trong sợi quang là do bị uốn quá nhiều, gây ra một số các ánh sáng đi ra khỏi khu vực lõi của cáp bán kính uốn cong nhỏ hơn, sự tổn hao sẽ lớn hơn Bởi vì điều này, uốn cong dọc theo một sợi quang cáp nên có bán kính rộng ít nhất một inch

Băng thông cáp quang

Tất cả các yếu tố suy hao trên dẫn đến sự suy giảm đều phụ thuộc vào băng thông Nói cách khác, mất 3dB có nghĩa là 50% ánh sáng sẽ bị mất cho dù nó được điều chế ở 10Hz hoặc 100 MHz Thực tế có một giới hạn băng thông cho cáp quang tuy nhiên, và điều này được đo ở MHz cho mỗi km Cách dễ nhất để hiểu tại sao có

sự suy hao này xảy ra như thế nào hãy tham khảo Hình 6

Như Hình 6 minh họa, một tia ánh sáng đi vào sợi tương đối thẳng hoặc tại một góc nhỏ (M1) có đường truyền ngắn hơn so với ánh sáng mà đi vào với một góc gần với góc chấp nhận (M2) Kết quả là, ánh sáng truyền theo phương khác nhau sẽ đến cuối sợi ở thời điểm khác nhau, mặc dù nguồn phát cùng là các đèn LED hoặc LD Điều này tạo ra một "nhòe" có hiệu lực hoặc không chắc chắn như là nơi bắt đầu và kết thúc của xung xảy ra tại đầu ra cuối của sợi - mà lần lượt giới hạn tần số tối đa có thể được truyền Trong ngắn hạn, các chế độ ít hơn, cao hơn băng thông của cáp quang

Hình 6: Sự khác nhau của phương truyền ánh sáng để xác định băng thông của sợi

Cách thức giảm số mode thực hiện bằng cách giảm cho lõi của sợi càng nhỏ càng tốt Sợi đơn mode chỉ có 1 lõi có đường kính 8-10 micromet, có băng thông cao hơn nhiều bởi vì nó chỉ cho phép một vài chế độ truyền dọc theo lõi của sợi.Sợi

có đường kính rộng hơn , chẳng hạn 50 và 62.5 micromet cho phép nhiều chế độ truyền hơn được gọi là sợi đa mode

Băng thông tiêu biểu cho sợi quang thông thường từ vài MHz cho mỗi km cho các sợi lõi lớn, đến hàng trăm MHz cho mỗi km cáp quang đa mode tiêu chuẩn, đến hàng ngàn MHz cho mỗi km sợi đơn mode Và như độ dài của sợi tăng lên, băng thông của nó sẽ giảm tương ứng Ví dụ, một sợi cáp có thể hỗ trợ băng thông 500MHz ở khoảng cách một km sẽ chỉ có thể hỗ trợ 250 MHz ở 2 km và 100 MHz

5 km

Bởi vì sợi quang đơn mode có một băng thông vốn có cao như vậy, "giảm băng thông như là một hàm của chiều dài" yếu tố này không phải là vấn đề thực sự quan trọng khi sử dụng loại sợi quang Tuy nhiên, nó là một xem xét khi sử dụng sợi đa mode, băng thông tối đa của nó thường nằm trong phạm vi của các tín hiệu thường gặp trong các hệ thống truyền dẫn điểm-điểm

Cấu tạo của sợi cáp quang

Cáp quang có mọi kích cỡ và hình dạng Như cáp đồng trục, thực tế của nó cấu tạo là một chức năng trong ứng dụng của nó Sợi quang cơ bản được cấu tạo với một lớp phủ đệm được sử dụng chủ yếu bảo vệ trong quá trình sản xuất Sợi này sau

đó được đặt trong trung tâm một ống lỏng PVC cho phép các sợi dễ uốn cong và nối, đặc biệt khi đi qua các góc hoặc khi bị kéo qua các ống dẫn