Đồ án thông tin quang đề tài cáp sợi quang
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1020.87 KB, 89 trang )
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn
§å ¸n Th«ng tin quang
TRƯỜNG ĐHKTCN THÁI NGUYÊN
---------------------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN H ỌC
THÔNG TIN QUANG
Họ và tên sinh viên: ...................................................................... ..MSSV: ........................................................
Ngành:…………………………………………………………... Khoá: ..2004 – 2009……………………….
Giảng viên hướng dẫn:.Th.S. Đào Huy Du
Giảng viên nhận xét: .................................................................................................................................................
1. Nội dung đồ án:
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
................................................................................................................
2. Nhận xét của giảng viên:
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................
Ngày
tháng
năm
Giảng viên nhận xét
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT
Email:
1
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Mục lục
Trang
Lời nói đầu...6
Chơng 1 cơ sở thông tin quang7
1.1. Lịch sử phát triển7
1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản9
1.3. Ưu điểm của thông tin quang........11
Chơng2 Sợi quang....12
2.1. Những ứng dụng của sợi quang.12
2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang..13
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang14
2.3.1. Phổ của sóng điện từ14
2.3.2. Chiết suất của môi trờng17
2.3.3. Hiện tợng phản xạ ánh sáng toàn phần..17
2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang18
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung.18
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang...20
2.5. Phân loại sợi quang...23
2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)
...24
2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index)24
2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)..25
2.5.2. Các dạng chiết suất khác:..26
2.5.3. Sợi đa mode và đơn mode.27
2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):.27
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
2
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):...28
2.6.Các thông số của sợi quang29
2.6.1. Suy hao của sợi quang:..29
2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:...31
2.6.2.1. Suy hao do hấp thụ:..31
2.6.2.2.Suy hao do tán xạ:.32
2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong...33
2.6.2.4.Một số suy hao khác.34
2.6.2.5. Đặc tuyến suy hao....35
2.6.3.Tán sắc (Dispersion)..36
2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc38
2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)38
2.6.4.2.Tán sắc vật liệu.40
2.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng:...41
2.6.4.4..Độ tán sắc tổng cộng...42
2.6.4.5. Tán sắc bậc cao.43
2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực..43
2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt.45
2.6.5.Dải thông của sợi quang..46
2.6.6. Bớc sóng cắt.48
2.6.7. Đờng kính trờng mode (MFD:Mode Field Diameter)...48
2.7.Cấu trúc sợi quang .49
2.7.1. Cấu trúc của sợi quang49
2.7.1.1.Lớp phủ...50
2.7.1.2.Lớp vỏ .50
2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang...52
2.8. Các phơng pháp chế tạo sợi quang..53
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
3
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi...53
2.8.2.Các phơng pháp chế tạo sợi quang.54
2.8.3.Các phơng pháp chế tạo phôi sợi54
2.8.3.1.Phng phỏp thanh ng c in.54
2.8.3.2.Phng phỏp ni nu ụi (Double Orucible).55
2.8.3.3.Phng phỏp ng hi húa cht.56
2.8.3.3.1.Phng phỏp ng hi húa cht: (chemical vapour
deposition- CVD)..56
2.8.3.3.2.Phng phỏp ng hi húa cht nh Plasma (Plasma
chemical vapour Deposition- PCVD)58
2.8.3.3.3.Phng phỏp ng hi húa cht bờn ngoi ( Outside
Chemical Vapour Deposition- OCVD).59
2.8.3.3.4.Phng phỏp ng hi húa cht theo trc ( Vapour Axial
Deposition- VAD).59
2.8.4.Quỏ trỡnh kộo si...59
2.8.5. Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới...60
2.9. Hàn nối sợi quang.61
2.9.1. Yêu cầu kỹ thuật 61
2.9.2.Các phơng pháp hàn nối sợi quang62
2.9.2.1. Phơng pháp dùng keo dính...62
2.9.2.2.Phơng pháp dùng hồ quang...63
2.9.3.Bảo vệ mối nối..65
Chơng 3 Cáp quang...67
3.1. Tổng quan .67
3.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang ...67
3.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang...67
3.2. Cấu trúc cáp quang....68
3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang69
3.2.1.1.Phần lõi...70
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
4
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
3.2.1.2.Vỏ cáp.73
3.3.Phân loại cáp quang:..74
3.3.1. Phân loại theo cấu trúc:...74
3.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng75
3.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt..75
3.3.3.1.Cáp treo...76
3.3.3.2.Cáp đặt trong cống..76
3.3.3.3. Cáp chôn trực tiếp..77
3.3.3.4.Cáp đặt trong nhà78
3.3.3.5. Cáp ngập nớc và thả biển.78
3.4. mã màu trong cáp.79
3.5. Đo thử cáp quang và đo bảo dỡng...81
3.5.1.Khái quát..81
3.5.2. Mục đích của đo thử82
3.5.3.Đo thử bảo dỡng.83
3.6.Các biện pháp bảo vệ cáp quang84
3.6.1. Độ chôn sâu cáp..84
3.6.2. Chống mối và chống chuột.86
3.6.3. Chống ảnh hởng của sét86
Tài Liệu Tham Khảo.87
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
5
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn
§å ¸n Th«ng tin quang
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện này các hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến
truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là
phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên
lục địa. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin, mạng
truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh về cả quy mô và trình độ công
nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thông
tin quang. Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có
tốc độ cao, cự ly xa, độ tin cậy cao…
Trong toàn bộ hệ thống thông tin quang phần không thể thiếu được
chính là Cáp Sợi Quang. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn các
hệ thống khác một phần chính là nhờ môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.
Vì vậy, em đã chọn đề tài Cáp Sợi Quang
làm đồ án nghiên cứu giúp
em tìm hiểu sâu hơn .
Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thân có hạn chính vì vậy đồ
án của em không thể tránh được những thiếu sót. Nên em mong các thầy cô
trong bộ môn và các bạn trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài
sâu hơn và phát triển đồ án ở mức cao hơn nữa.
Trong quá trình làm bài, em đã được nhận được sự hướng dẫn chi tiết
của thầy Đào Huy Du và góp ý của các bạn trong lớp. Em xin gửi lời cảm ơn
đến thầy và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh Viên
Lương Xuân Trường
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT
Email:
6
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Chơng 1
cơ sở thông tin quang
giới thiệu tổng quan
Hệ thống thông tin đợc hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác.Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm
Km, hàng trục ngàn Km hoặc xuyên qua các đại dơng.Thông tin có thể truyền
qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau.
Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng
và sử dụng các sợi quang để truyền tin. Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàng
khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lới viễn thông trên thế giới.
1.1. Lịch sử phát triển
Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin
giữa con ngời với con ngời đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố
quyết định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng nh
nền văn minh của nhân loại .
Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử
dụng môi trờng truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và không
gian.Thì việc sử dụng ánh sáng nh một phơng tiện trao đổi thông tin cũng đợc
khai thác có hiệu quả . Cùng với thời gian thông tin quang đã phát triển và
ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử nh sau:
-1790 : Clau de Chappe , kĩ s ngời Pháp, đã xây dựng một hệ thống
điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vợt
qua chặng đờng 200km trong vòng 15 phút .
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
7
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
-1870 : John Tyndall nhà vật lý ngời Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể
dẫn đợc theo vòi nớc uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều vẫn đợc áp dụng trong thông tin quang hiện nay .
-1880 : Alexander Graham Bell , ngời Mỹ giới thiệu hệ thống
thông tin Photophone. Tiếng nói đợc truyền đi bằng ánh sáng trong môi trờng
không khí . Nhng cha đợc áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: Norman R.French, ngời Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống
thông tin quang. Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: Arthur Schawlour và Charles H Tounes, xây dựng
và phát triển Laser
- 1960: Theodor H Maiman đa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn đợc thừa nhận vấn đề còn lại
là phải tìm môi trờng truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: Charles H Kao và Georce A Hockham, hai kĩ s phòng thí
nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh
dẫn ánh sáng. Nhng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên
suy hao quá lớn ( khoảng 1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bớc sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI đợc chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) đợc xuất xởng tại Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode đợc sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn
khoảng 0,2 [dB/km] ở bớc sóng 1550nm.
1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
8
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Trạm lặp
Nguôn
tín
hiệu.
Phần
tử
điện.
E
O
Biến đổi
điện-quang
O
E
E
O
Sợi quang
O
E
Phần
tử
điện.
Biến đổi
sợi quang
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản
Theo sơ đồ hệ thống ta có:
- Nguồn tín hiệu thông tin: là dạng thông tin thông thờng là hình ảnh ,
tiếng nói , fax...hay còn là tín hiệu đầu vào.
- Phần tử điện: là phần chung của hệ thống, để xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu
điện đa vào hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu Alalog hoặc Digtal
- Bộ biến đổi E/O: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu điện thành
tín hiệu quang với các mức tín hiệu điện đợc biến đổi thành cờng độ quang,
các tín hiệu điện 0và 1đợc biến đổi ra ánh sáng tơng ứng dạng không và
có.
Sau đó tín hiệu quang đợc đa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện
quang thực chất là các linh kiện phát quang nh LED,Laser diode...
- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã đợc điều
biến, nó có vai trò nh kênh truyền dẫn.
- Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào
và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu đã phát đi, nó có vai trò nh bộ
giải điều chế.
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
9
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
-Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi,
tín hiệ trên đờng truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn ra do
nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy, để truyền đợc đi xa cần có trạm lặp.
Hiện nay cha thực hiện đợc khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang
nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bớc sau:
+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện.
+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuếch đại hoặc tái sinh thành tín
hiệu quang để tiếp tục phát đi.
- Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao
tần, trong hệ thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần số rất
cao (1014-1015Hz) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất
rộng.
- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống đợc đánh giá qua
hai đại lợng:
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đợc
+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp
Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự
ly trạm lặp rất lớn. Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vợt qua các hệ
thống điện ở cả 2 yêu cầu trên. Các đại lợng trên đợc xác định bởi nhiều yếu tố
liên quan nh:
+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang
+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang
+ Độ nhạy của máy thu quang
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
10
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
1.3. Ưu điểm của thông tin quang
So với hệ thống thông tin điện tử thì hệ thống thông tin quang có những
u điểm hơn hẳn đó là những u điểm cơ bản nh sau:
1. Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm đợc trạm lặp , kéo dài đợc cự ly
truyền dẫn, cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền đợc tốc độ lớn hơn cáp kim
loại khi cùng chi phí xây dựng mạng nên
2. Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng đợc thuê bao dịch vụ dải rộng .
3. Sợi quang: đợc chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa
tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền. Sợi có đờng kính nhỏ,
trọng lợng nhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong .
4. Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng nh lắp đặt và
bảo dỡng. Không bị ảnh hởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây
chập, cháy.
5. Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hởng của nhiễu từ trờng
bên ngoài (nh sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hởng của cáp điện cao
thế ...) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm. Nó đợc sử
dụng tại những nơi có nhiễu điện từ mạnh nh trong các nhà máy, nàh máy
điệnmà không cần phải che chắn điện từ.
6. Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa đợc
một số lợng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lợng kim loại.
7. Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thông tin trên sợi
quang là rất khó khăn.
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang có một số hạn chế nh:
+ Khó khăn trong việc ghép nối,
+ Không sử dụng đợc trong vùng bị chiếu xạ
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
11
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Chính vì có những u điểm trên mà các hệ thống thông tin quang đợc sử
dụng rộng rãi trên mạng lới viễn thông của nhiều quốc gia. Chúng đợc xây
dựng làm các tuyến đờng trục, trung kế, liên tỉnh. Tại Việt Nam cáp quang đã
và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫn đờng dài liên tỉnh dùng cáp ngầm.
Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyền dẫn
và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lới viễn
thông.
Chơng2
Sợi quang
2.1. Những ứng dụng của sợi quang
Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống
truyền dẫn quang truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh
mẽ ở nhiều nớc trên thế giới. Do có nhiều u điểm hơn hẳn các hình thức thông
tin khác về dung lợng kênh truyền, tính kinh tế,mà thông tin quang giữ vai
trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến xuyên đờng trục avf các tuyến
xuyên lục địa, xuyên đại tây dơng. Công nghệ nagỳ nay đã tạo ra thông tin
quang phát triển và thay đổi theo xu hớng hiện đại và kinh tế nhất.
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
12
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn
giản việc tăng chiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ
khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần. Chất lợng của tín hiệu thu đợc trên hệ thống này sẽ đợc cải thiện một cách đáng kể.
ở nớc ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng, các
tuyến cáp quang đợc hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội Hồ
Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc.
Trong tơng lai mạng cáp quang sẽ đợc xây dựng rộng khắp. Tuyến đờng
trục cáp quang sẽ đợc rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp
quang nội hạt.
* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:
- Mạng đờng trục xuyên quốc gia.
- Mạng riêng của các công ty đờng sắt, điện lực.
- Đờng trung kế
- Đờng cáp thả biển liên quốc gia
- Đờng truyền số liệu, mạng LAN
- Mạng truyền hình
2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang
So với dây kim loại sợi quang có nhiều u điểm đáng chú ý là:
-Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm đợc số
trạm tiếp vận
-Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao
-Trọng lợng nhẹ, kích thớc nhỏ
-Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hởng của sấm sét
-Không bị can nhiễu bởi trờng điện từ
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
13
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
-Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể
-Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
-Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng
dung lợng và cự ly.
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang
Trong hệ thống thông tin quang, thông tin đợc truyền tải bằng ánh sáng.
Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất
cần thiết để hiểu đợc sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý
của dao động laser. Ba vấn đề sau sẽ là cơ sở lý thuyết cho việc hình thành hệ
thống thông tin quang:
1. Phổ của sóng điện từ
2. Chiết suất của môi trờng
3. Hiện tợng phản xạ toàn phần
2.3.1. Phổ của sóng điện từ
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
nh sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.
Đặc trng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là
một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ đợc sinh
ra, hoặc là dải bớc sóng tơng ứng. Hai đại lợng tần số và bớc sóng tỷ lệ với
nhau theo công thức:
C(m/s)=(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f
Trong đó :
C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]
H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
14
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bớc sóng từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng là 850nm,
1300nm và 1550nm.
Hình 2.1: Các bớc sóng trong thông tin quang
Tia v ô
tuyế n
1,6
1,5
1,4
1,3
Tia
Rơnghe n
Tia tử
ngoại
T ia hồng
ngoại
1,2
1,1
1
900 800
700
600
Tia
Tia
Gamma Vũ trụ
500
400àm
ánh sáng
nhìn thấy được
ánh sánh trong thông tin quang
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Đỏ
Tím
Email:
15
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Hình 2.2. Tần số và bớc sóng dùng trong Thông tin quang
Ta biết nếu bớc sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng
lớn thì độ suy hao càng lớn. Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình
2-7) và đặc biệt ở bớc sóng 1550nm thì độ suy hao là dới 0,2dB/km. Nh vậy là
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
16
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
vấn đề suy hao đợc giải quyết nên ở ba bớc sóng đó hiện nay đang đợc dùng
rộng rãi mà đặc biệt là ở bớc sóng 1550nm. Cùng đó ta đã khai thác thêm đợc
các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác đợc các u điểm
của cáp sợi quang.
2.3.2. Chiết suất của môi trờng
Chiết suất của môi trờng đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trờng ấy.
n=
C
V
trong đó :
n : Chiết suất của môi trờng
V : Vận tốc ánh sáng trong môi trờng
Mà C V nên n 1.
Chiết suất của môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng truyền cho
nó.
2.3.3. Hiện tợng phản xạ ánh sáng toàn phần
Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trờng có chiết suất n1 sang môi trờng
thứ hai có chiết suất n2 (n1
P
P
2
T
1
2
n2
n2
n1
n1
2
T
1
Vùng phản xạ toàn phần
Sinh viên: Lơng Xuân a)
Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
(b)
17
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Hình 2.3. Hiện tợng phản xạ ánh sáng toàn phần
Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trờng
một góc , khi sang môi trờng thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp
tuyến P ở một góc . Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:
n1.sint = n2.sin
Khi tia tới đạt tới góc thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân
cách giữa hai môi trờng. Tức là góc khúc xạ t = 900.
n1
Suy ra: Sin t = n
2
Góc t đợc gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ
chênh lệch chiết suất giữa hai môi trờng và khi tia tới với góc >t thì tia
phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trờng 1.
Nh vậy, điều kiện để xảy ra hiện tợng toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trờng chiết quang hơn (n1) sang môi trờng
kém chiết quang hơn (n2) .Hay là Chiết suất n1 > n2
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
2.4. Sự
truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung
ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm một
lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ
tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ
nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc.
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
18
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tợng tàn phần là:
+ Chiết suất n1 > n2
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n 1 > n2. Vậy chỉ còn
điều kiện là góc tới t phải lớn hơn góc tới hạn th (t >th). Nên ngời ta đa ra
khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép
luồng bức xạ quang vào sợi.
áp dụng công thức : Snelious để tính N:
n2
n0
th
t
n1
n0Sinth=n1.Sin. (n0=1 : chiết suất của không khí)
1.Sinth=n1.Sin=n1Cos1.
(Sin=Sin(900-t)=Cost)
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
19
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Cos t = 1 Sin 2 t = 1
Đồ án Thông tin quang
n 22
n 12
n 22
Sin th = n 1 . 1 2 = n 22 n 12
n1
NA = Sin th = n 22 n 12 = n 1 . 2
Với =
n 12 n 22
gọi là độ lệch chiết suất tơng đối
2.n 12
Vậy điều kiện để đạt đợc hiện tợng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi
đa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở
th = arcsin n 1 . 2 .
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang
Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết đợc bản chất thực
của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phơng trình sóng. Một
mode đợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phơng
trình sóng và số lợng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn
các phơng trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang.
Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp.
Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên.
Dĩ nhiên khi đa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lợng tập trung trong
ruột sợi, còn phần năng lợng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt
ngay. Ngời ta chú ý đến các mode đợc truyền dẫn trong ruột sợi và các mode
lan truyền có những đặc tính sau :
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng.
- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bớc sóng xác định của nguồn sáng.
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
20
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Thực tế phải tồn tại một bớc sóng giới hạn g sao cho các bớc sóng của các
mode đều phải tuân theo điều kiện > g.
Số lợng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số d k/ nên dk
lớn hơn nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi d k rất nhỏ thì chỉ
có một mode cơ bản đợc truyền qua (sợi đơn mode). Ngời ta định nghĩa tham
số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá:
V=
.d k .n 1
. 2.
Với sợi SI, nếu V<2,405 thì ngời ta có đơn mode, ngợc lại là sợi mode.
Còn sợi GI, nếu V<3,518 có sợi đơn mode, V>3,518 ta có sợi đa mode.
Để nghiên cứu chính xác ngời ta phải sử dụng các phơng trình truyền
sóng. Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phơng trình truyền sóng.
Tuy nhiên việc lập và giải phơng trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là
dùng phơng pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt
dọc của sợi.
2
n2
3
n1
1
max
a)
1
3
max
2
b)
c)
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
21
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn
mode(c)
ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra đợc đa vào sợi với nhiều góc khác
nhau nên sợi chạy theo nhiều đờng dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin
(b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng đờng đi ngắn nhất (c). ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện
phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đa vào sợi phải nằm trong một hình
nón có nửa góc mở th
Sợi SI có th = arcsin
M.d k .n 1
2. . n 12 n 22
2,405
r
a
Sợi GI có th = arcsin n 1 . 2. . 1 ( ) 2
Mà nh ta biết khẩu độ số NA = Sinth
Nh vậy sợi SI có NA = n 12 n 22 = n 1 . 2.
Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2ữ0,37.
r
a
Còn sợi GI có NA = n 1 . 1 ( ) 2
Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đa ra ánh sáng vào tại
tâm lõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng
0.
Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết
đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn,
băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại.
Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trng của các mode vì thực tế
không phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều đ-
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
22
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
ợc lan truyền đến cuối sợi. Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có
hiện tợng giao thoa.
Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một
sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bớc sóng, còn nếu hai bớc
sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cờng chạy đến cuối đờng sợi mà ta gọi
là các mode.
Về phơng tiện truyền sóng, có thể nói mode đợc đặc trng bởi sự phân bố
cờng độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và đợc lan truyền với tốc độ xác
định.
Xa hơn nữa, xét về phơng diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin
khi điều biến, nh thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì
có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bớc sóng nhất định.
2.5. Phân loại sợi quang
Để phân biệt sợi quang, ngời ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà phân
biệt thành các lại sợi khác nhau.
Danh mục
Loại sợi
- Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc
Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất
- Sợi có chỉ số chiết suất Gradien
- Sợi đơn mode
Phân loại theo mode truyền dẫn
- Sợi đa mode
- Sợi thuỷ tinh
Phân loại theo cấu trúc vật liệu
- Sợi chất dẻo
- Sợi thuỷ tinh đa thành phần
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
23
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Phân loại dựa theo các chức năng
đặc biệt
Đồ án Thông tin quang
- Sợi lỗ không khí
- Sợi duy trì phân cực
2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi
đều (GI)
2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ
bọc khác nhau một cách rõ rệt nh hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang
phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đờng khác nhau
Hình 2.5. Sợi SI (Step-Index)
Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
C
V =
n1
Email:
24
Trờng ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên
Đồ án Thông tin quang
- Số lợng mode truyền M V2/2 trong đó V = 2.a.NA/
- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hởng tới việc mang dung lợng
thông tin của sợi.
ở đây n1 không đổi mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian
truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tợng khi đa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận đợc một xung ánh
sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiên tợng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI
không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài đợc. Nhợc điểm này có
thể khắc phục đợc trong loại sợi có chiết suất giảm dần
2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay
đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần.
Sinh viên: Lơng Xuân Trờng Lớp K40ĐVT
Email:
25
