Sợi quang và các đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Cùng với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn và công nghệquang sợi, phơng pháp truyền tin truyền thống đã đợc thay thế bằng ph- ơng pháp tiên tiến hơn: phơng pháp truyền dẫn và xử lý

Mở đầu

Cuộc sống của chúng ta ngày nay đòi hỏi phải cập nhật các thôngtin Sự chiếm lĩnh các thông tin giúp ngời ta giải quyết các vấn đề mộtcách nhanh chóng, chính xác và đạt hiệu quả cao Trong các năm 80 củathế kỷ XX trở về trớc, thông tin đợc truyền theo phơng pháp truyềnthống: phơng pháp truyền sóng vô tuyến điện Mặc dù đây là phơng pháptiên tiến so với cách truyền tin trớc đó nhng vẫn còn rất nhiều nhợc điểm,chẳng hạn nh sự méo tín hiệu, sự giới hạn băng truyền, cự li và tốc độtruyền dẫn

Cùng với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn và công nghệquang sợi, phơng pháp truyền tin truyền thống đã đợc thay thế bằng ph-

ơng pháp tiên tiến hơn: phơng pháp truyền dẫn và xử lý thông tin bằngcáp sợi quang.Với phơng pháp này, tín hiệu đợc truyền nguyên vẹn đếnmáy thu, bên cạnh đó, cự li, tốc độ truyền dẫn và đặc biệt là khả năngtruyền tải dung lợng lớn có thể thực hiện đợc trong quang sợi Chẳng hạnthực hiện truyền dẫn bằng sợi quang đồng trục, cùng một lúc có thểtruyền đợc hàng triệu cuộc điện thoại và hằng trăm kênh truyền hình màvẫn đảm bảo chất lợng truyền dẫn Điều này cho phép hạ giá thành cácsản phẩm truyền hình, cớc phí các cuộc gọi điện thoại

Trên thế giới việc nghiên cứu các thiết bị truyền thông quang sợi

và công nghệ sợi quang đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Việc nghiêncứu cấu tạo, nguyên lý tổ chức truyền dẫn thông tin cáp sợi quang đã đợc

đề cập đến trong chơng trình học học chuyên ngành Tuy nhiên do giớihạn về thời gian vấn đề này cha đợc nghiên cứu một cách kỹ lỡng và chitiết Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu:

“Sợi quang và các đặc tính truyền dẫn của sợi quang”

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm ba

ch-ơng:

Chơng I – Tổng quan về thông tin quang. Tổng quan về thông tin quang.

Trong chơng này chúng tôi trình bày một cách tổng quan về cấutạo cùng nh cách phân loại và tính chất của sợi quang Cũng trong chơngnày, chúng tôi trình bày về các điều kiện để đảm bảo tối u quá trìnhtruyền dẫn trong sợi quang

Chơng II – Tổng quan về thông tin quang. Các ph ơng thức truyền sóng trong sợi quang.

Trong chơng này, chúng tôi đa ra các cách khảo sát quá trìnhtruyền sóng trong sợi quang Về phơng diện quang hình học, sóng lan

truyền trong sợi quang sau khi liên tiếp phản xạ trên các mặt biên theocác định luật quang hình học Chúng ta cũng có thể khảo sát quá trìnhlan truyền sóng trong sợi quang bằng thuyết sóng điện từ của Maxwell,các kết quả của hai cách khảo sát này là nh nhau.

Chơng III – Tổng quan về thông tin quang. Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang bao gồm các ảnh hởng củacác quá trình hấp thụ, tán sắc của vật liệu hay các nguyên nhân khác.Trong chơng này, chúng tôi đã trình bày chi tiết các nguyên nhân gây rasuy hao tín hiệu và méo đồng thời đa ra các lu ý khi thiết kế tuyến thôngtin sợi quang có chú ý đến các yếu tố nói trên

Do sự hạn chế về thời gian và trình độ, bản luận văn này khôngtránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy côgiáo, các anh, chị và các bạn sinh viên để luận văn đợc hoàn thiện hơn.Cuối cùng tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo NguyễnVăn Phú, thầy đã đặt bài toán, cung cấp tài liệu và tận tình hớng dẫn tôitrong suốt quá trình làm việc Tôi cũng in chân thành cảm ơn các thầy, côgiáo trong chuyên ngành Quang học – Tổng quan về thông tin quang Quang phổ, trong Khoa Vật lý đãgiúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thành bản luận văn này

I Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang

Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trên hình

vẽ 1.b Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộnhờ so sánh với một hệ thông truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển nh trênhình 1.1a Trong đó các phần tử của hai hệ thống là tơng đồng nhau

Hình 1-a: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện

Hình 1-b Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang

Nguồn tín hiệu thông tin là nh nhau, đều là các dạng thông tin thờnghiện nay nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản v v

Phần điện tử là phần chung của hai hệ thống Để tạo ra các tín hiệu

điện đa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặcdigital (điểm A)

Bộ biến đổi điện quang E/O để thực hiện điều biến tín hiệu điện vàocờng độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng nh bộ điều biến trênhình 1.a Cũng nh thông tin điện, với nhiều phơng thức điều biến khácnhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu

điện vào bức xạ quang Các hệ thống hiện nay đang làm việc theonguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, còn các hệ thốngcoherence trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằngcách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ coherence là các bức xạ kếthợp Tín hiệu ra phát (điểm C) là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra tại

điểm C trên hình 1.a là các tín hiệu cao tần đợc điều biến về biên độ hoặcpha hoặc tần số

Sợi quang để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điềubiến, có vai trò nh kênh truyền dẫn trên hình 1.a

Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từsợi quang đa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu nh tín hiệu phát đi Nó

có vai trò nh bộ giải trên hình 1.a Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D)khác dạng nhau (điện và quang), nhng tín hiệu ra của chúng (điểm B) làtín hiệu điện giống nhau để đa vào phần tử điện tử, tách ra tín hiệu thugiống nh tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu

Bộ phận tải tin: Trong hệ thống điện, tải tin là các sóng điện từ caotần, trong hệ thông tin quang, ánh sáng là sóng điện từ có tần số rất cao

(cỡ 1014-1015) Hz do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệubăng rộng.

Về vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Cũng nh ở hệ thống điện, tín hiệutruyền đa trên đờng truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất

định phải có trạm lặp để khuyếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tínhiệu (digital) Hiện nay cha thực hiện đợc khuyếch đại hoặc tái sinh tínhiệu quang, nên tại các trạm khuyếch đại trung gian hoặc các trạm lặpphải thực hiện ba bớc sau:

- Chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện

- Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh dới dạng điện

- Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuyếch đại hoặc tái sinh tín hiệuquang để tiếp tục phát đi

II Cấu tạo và phân loại sợi quang

1 Cấu tạo sợi quang

Hình 1.2 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang thờng có tiết diện tròn, đờng kính từ (100-400)μm gồm haiphần: Phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính là a và đờng kính

dk và phần vỏ có chiết suất n2 (n2<n1) bao xung quanh lõi và có đờng kính

là dm Các tham số n1, n2, a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang.Ngời ta gọi đó là các tham số cấu trúc

Hai tham số này cũng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi

Căn cứ vào sự phân bố chiết suất của lớp lõi, ngời ta chia sợi quang thànhhai dạng: Dạng sợi quang mà lõi có chiết suất không đổi gọi là sợiquang giật cấp và dạng có phần lõi có chiết suất phân bố giảm dần từtrong ra ngoài gọi là sợi quang liên tục

2 Phân loại sợi quang:

Dựa vào các đặc điểm cấu tạo của sợi quang nh chiết suất, loại vậtliệu và mode truyền dẫn ngời ta có ba cách phân loại sợi quang nh sau:

2.1 Phân loại theo vật liệu:

Ta có ba loại sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu,sợi quang thạch anh vàsợi quang bằng nhựa Các sợi quang thạch anh không chỉ chứa thạch anhnguyên chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào nh Ge, B và F đểlàm thay đổi chiết suất khúc xạ

Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là Sodalime, thuỷtinh hoặc thuỷ tinh Bo-silicat và các kim loại kiềm làm chất phụ gia nh

Na, Ca,

Đối với các sợi quang bằng nhựa thì các nguyên liệu chủ yếu làsilicon Trong thực tế sử dụng thì sợi thuỷ tinh thạch anh đợc sử dụngnhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ hao phí thấp và có tínhtruyền dẫn ổn định trong thời gian dài

2.2 Phân loại theo mode lan truyền:

Theo mode lan truyền ngời ta phân sợi quang thành hai loại Một

là sợi quang đơn mode loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền Loại sợithứ 2 là loại đa mode cho phép nhiều mode lan truyền

2.3 Phân loại theo chiết suất:

Trong phân loại này sợi quang cũng đợc chia làm hai loại Một làsợi quang chiết suất phân bậc (viết tắt là sợi SI), loại sợi này chiết suấtthay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ, nó đợc dùng ở chế độ đơn mode và đamode Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết suất biến đổi (sợi quang GI)loại sợi này có chiết suất thay đổi liên tục từ lõi đến vỏ

b, Sợi quang loại GI

c, Sợi quang loại SM (đơn mode) Hình 1.3 Sự lan truyền của ánh sáng trong các loại sợi khác nhau

III Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong các sợi quang giật cấp

Để một mode dẫn truyền đợc trong một sợi quang giật cấp cần thoảmãn những điều kiện sau đây:

1 Điều kiện phản xạ toàn phần:

Để đợc dẫn truyền trong sợi quang tia sáng phảI có góc tới thoãmãn điều kiện phản xạ toàn phần

sinφ 2

1

n n

hay φ φm=arcsin( 2

1

n

2 Điều kiện giao thoa:

Xét quá trình lan truyền của sóng ở trong sợi quang đợc mô tả ởhình 1.4 Sóng lan truyền trong sợi quang sau khi phản xạ liên tiếp tại cácthành biên của sợi

Hình 1.4 Sơ đồ giải thích các mode đợc phép dẫn truyền trong sợi quang

Nh vậy trong sợi quang có sự lan truyền của sóng tới và sóng phảnxạ, chúng gặp nhau và có thể giao thoa với nhau Để tránh sự triệt tiêunăng lợng do sự giao thoa của các sóng tới và sóng phản xạ không cùngpha thì độ lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B nằm trên trục lõi phảithoã mãn điều kiện:

3 Điều kiện biên:

Để ánh sáng lan truyền liên tiếp phản xạ toàn phần tại mặt biên củalõi và vỏ thì cần thiết phải có điện trờng giới hạn trong lõi sợi do vậy tạimặt biên thì cờng độ điện trờng E 0 do sự giao thoa của sóng tới vàsóng phản xạ

Từ điều kiện cho cực tiểu giao thoa, chúng ta nhận đợc biểu thức để cờng

độ điện trờng E 0 là :

d.sin m d.cos m  (2.m 1) / 2  (1.6)với m = 0, 1, 2, 3, , N-1

trong đó m là số thứ tự mode và N là số mode có thể

Nh vậy trong sợi quang có nhiều mode, mỗi mode lan truyền theomột hớng khác nhau và dẫn đến sự tán sắc giữa các mode.

V u điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang. Ưu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang.

So với các hệ thống truyền dẫn trên cáp kim loại, hệ thống truyềndẫn trên cáp quang có những u điểm sau:

- Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các cáp kim loại, đờng kính mẫu của sợiquang là 0.1mm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục có đờng kính10mm

- Cáp sợi quang nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong, chiphí vật liệu chế tạo cáp ít, cáp lại đợc lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, ngaycã bằng tay Các cáp quang hiện nay cho phép tăng đợc nhiều kênhtruyền dẫn mà chỉ tăng đờng kính rất ít

- Sợi quang đợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trờng trungtính với ảnh hởng của nớc, axit, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, và ngaycả khi lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có bị h hỏng nhng sợi thuỷ tinh còn tốt thìvẫn bảo đảm truyền tin tốt Nó hoàn toàn cách điện và không bị chậpmạch

- Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ ảnh hởng của điện từ ờng ngoài, nên có thể sử dụng sợi để cho các hệ thống thông tin ở nhữngnơi có nhiễu điện từ trờng mạnh nh trong các nhà máy điện mà khôngcần che chắn ảnh hởngđiên từ

Do nhẹ và không bị ảnh hởng của điện từ nên sợi quang cũng đợc

sử dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ hoặc trong công nghiệp để truyền

số liệu

Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giửacác sợi quang, đảm bảo không nghe trộm

Vì sợi quang là sợi điện môi nên đầu vào và đầu ra hoàn toàn cách

điện và không có mạch vòng chạy qua đất

Trong sợi quang các tiêu hao nhỏ không phụ thuộc vào tần số tínhiệu và tiêu hao nhỏ trong giải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băngrộng, truyền đợc tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng.Trong tơng lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ giải rộng cũng rất phùhợp

- Cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều

Ngời ta tính toán rằng nếu chế tạo đợc 100.000 km/năm thì giá thành một

hệ thống truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyềndẫn trên cáp kim loại có cùng năng lực truyền dẫn

Chơng II - Cơ sở lý thuyết về truyền sóng trong

cáp quang 2.1 Sóng điện từ

Nh chúng ta đã biết ánh sáng là song điện từ vì vậy trớc khi xét đến

sự lan truyền ánh sáng trong các hệ đặc biệt nh linh kiện dẫn sóng sợiquang.chúng ta sẽ nhắc đến một số khái niệm cơ bản trong sóng điện từ

E rot

0 )





 10-9 F/m

0  4  10-7 H/m

ε: Hằng số điện môi

μ: Độ từ thẩm của môi trờng

ρ: Độ dẫn điện

Từ công thức (2.1) và (2.3) có thể thấy sự tồn tại của một từ trờng biến

đổi theo thời gian tại một điểm trong không gian sẽ làm xuất hiện điện ờng tại điểm đó Tại một thời điểm, một điện trờng biến đổi theo thờigian sẽ làm xuất hiện một từ trờng Quá trình trao đổi của các điện tíchlàm phát sinh ra một điện từ trờng biến thiên nghĩa là làm lan truyền ramôi trờng xung quanh một sóng điện từ mà trong đó điện trờng và từ tr-ờng liên tục chuyển đổi cho nhau

E rot

H rot

2 2

.E . E

2 2

.E . E 0

2 2

2 2

.H . E 0

2.2 Sãng ph¼ng, ph¶n x¹ vµ truyÒn sãng qua c¸c mÆt ph©n c¸ch 2.2.1 Sãng ph¼ng:

- XÐt trêng hîp sãng ph¼ng lan truyÒn theo chiÒu d¬ng cña trôc x vµbiÕn thiªn tuÇn hoµn víi tÇn sè vßng  2 / T NghiÖm cña c¸c ph¬ngtr×nh (2.16) vµ (2.17) cã d¹ng

α - pha ban đầu

Xét trờng hợp tổng quát, sóng phẳng lan truyền theo phơng bất kỳ

và định nghĩa véc tơ sóng kk s. Trong đó .s là véc tơ đơn vị hớng theophơng truyền sóng Tại điểm có bán kính véc tơ r trong không gian thì

rot E  ikE (2.25) DivE              i k E                            

Kết hợp các phơng trình (2.25) - (2.30) với hệ từ (2.10) - (2.13) ta đợc kE  0H (2.31) kH   0E (2.32)

theo thứ tự lập thành một tam diện thuận

Nh vậy đối với sóng điện từ phẳng đơn sắc thì các thành phần,

H E

 

dao động cùng pha

2.2.2 Kiểu truyền sóng (mode) trong linh kiện dẫn sóng quang

Xét linh kiện dẫn sóng bản phẳng đợc biểu diễn trên hình 2.2 Linhkiện dẫn sóng bản phẳng đợc giới hạn bởi các mặt phân cách phẳng songsong, vuông góc với trục x và vô hạn theo chiều trục y và z Linh kiệndẫn song bản phẳng này đợc gọi là linh kiện dẫn sóng ba lớp có ba vùngchiết suất khác nhau, lớp 1 và 3 là nửa vô hạn theo trục x, lớp thứ 2 có bềdày giới hạn theo trục x là dg, cả ba lớp đều vô hạn theo trục y và z

0

k 

n2    là chiết suất của môi trờng

Vì linh kiện truyền sóng bản phẳng đợc giả thiết là vô hạn theotrục y nên theo phơng đó không có sự phản xạ và không tạo sóng đứng

do đó ta viết lại phơng trình (3.2) cho ba vùng theo trục x

Vùng 1:

2 ( , ) 2 2 2

( , ) 1

2 ( , ) 2 2 2

( , ) 3

Sóng điện từ phẳng truyền theo phơng của trục OZ, do đó các thành phần

εx = εz = 0

ε(x, y)) = εy)(x): phụ thuộc vào x

Nghiệm của (2.37) - (2.39) trong các vùng có dạng:

y x( )= A.exp(- qx) 0 x 

y x( )= A[cos(hx) - (q/h)sin(hx)] dg x 0

y x( )= A[cos(hd g ) + (q/h)sin(hdg)].exp[p(x + d)]    x dg

các hằng số q, h, p đợc xác định từ các điều kiện biên, tại đó   y,H y

phảiliên tục

Thay kết quả nhận đợc ở trên vào (2.37), (2.38), (2.39) ta đợc

q [ 2  n k12 ]2 1/2

h [ 2  n k22 ]2 1/2 (2.40)

p [ 2  n k32 ]2 1/2

Ta thấy các đại lợng q, h, p nó phụ thuộc vào hệ số truyền β Để xác định

β ta áp dụng điều kiện liên tục của véc tơ cờng độ điện trờng tại biên – Tổng quan về thông tin quang

dg ta có:

y x( )

x dg x

Hình 2.3 Sự phụ thuộc y(x) vào x trong các mode khác nhau.

Quan hệ n2 > n3 > n1 là phổ biến: Một linh kiện dẫn sóng làm bằng chất

có chiết suất n2 đặt trên một đế có chiết suất n3 và bao xung quanh là môitrờng có chiết suất là n1

Từ hình vẽ 2.3 ta có các nhận xét sau:

- Mode (a) không có ý nghĩa vật lý – Tổng quan về thông tin quang.gọi là mode bức xạ

- Mode (b) và (c) tơng ứng với sóng đợc dẫn truyền và là sóngngang của điện trờng bậc 0 và bậc 1 (TEM0,TEM1)

- Mode (d) có dạng theo hàm sin nhng giảm theo quy luật hàm số

mũ ở trong đế gọi là mode bức xạ đế mode đế mode này không có lợitrong việc truyền tín hiệu nhng lại có lợi trong việc dùng để tiếp nối

- Mode (e) không dẫn truyền đợc trong linh kiện dẫn sóng

Nh vậy chỉ có những giá trị của β nằm trong khoảng kn3 <  < kn2 mớiứng với các mode có thể dẫn truyền đợc trong linh kiện dẫn sáng tuy

nhiên vì β gián đoạn nên trong khoảng từ kn3 đến kn2 chỉ có một số giá trịgián đoạn của β ứng với các mode đợc phép Mặt khác giá trị của β phụthuộc vào dg, k, n1, n2 , n3 do đó mỗi cặp các giá trị của dg, k, n1, n2 , n3

xác định sẽ tồn tại tần số giới hạn ωC tơng ứng với những mode có thểdẫn truyền đợc.các sóng có tần số ω  ωC không thể truyền dẫn đợc

2.2.3 Phơng thức truyền sóng trong linh kiện dẫn sóng quang theo mô hình quang học tia:

ở mục 2-3-2 chúng ta khảo sát sự lan truyền sóng ánh sáng tronglinh kiện dẫn sóng nh sự lan truyền của sóng điện từ đợc biểu diễn nh làlời giải của phơng trình sóng Maxwell với các điều kiện biên trên mặtphân cách, các sóng phẳng lan truyền theo trục OZ trong linh kiện dẫnsóng dới dạng một hay nhiều mode quang học, trong đó ánh sáng lantruyền với vận tốc khác nhau trong các mode khác nhau Một phơng pháp

nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng trong linh kiện dẫn sóng đó là phơngpháp quang học tia, trong phơng pháp này sự lan truyền ánh sáng theomột trục chẳng hạn là trục OZ đợc xem nh sự lan truyền của các tia dophản xạ toàn phần trên các mặt phân cách tạo nên linh kiện dẫn sóng

1 Sơ đồ tia trong linh kiện dẫn sóng bản phẳng 3 lớp:

Xét tia ứng với 2 mode TEM0 và TEM1 lan truyền trong linh kiệndẫn sóng 3 lớp, với cờng độ điện trờng E

của các sóng phẳng lan truyềnbằng cách phản xạ toàn phần trên các mặt phân cách

Hình 2.4 Sơ đồ tia của hai mode TEM 0 và TEM 1

Ta đi tìm sự tơng ứng giửa phơng pháp quang lí và quang học tia Giảthiết mode là sóng TEM, phơng trình sóng Maxwell ở vùng 2 là:

  ( ) 0 )

,

2

2 2

k x

y x