Tiểu luận Bộ biến đổi quang điện

bộ biến đổi quang điện Chương1: KHáI QUáT Về THÔNG TIN QUANG I. Khái quát Do sự phát triển của hệ thống truyền dẫn, đòi hỏi tổ chức các luồng kênh cực lớn. Với kỹ thuật thông tin quang người ta cũng có thể tạo ra các hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống điện. Hiện nay các hệ thống truyền dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s. Trước tiên sử dụng các khoá điện tử, rồi sau đó đến các hệ thống chuyển mạch photon “dùng ánh sáng để chuyển mạch”. Khi đó mạng thuê bao đã chuyển sang dùng cáp quang và mạng là thông tin thuần túy. Hiện nay thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Nó được ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống truyền dẫn và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá trình chuyển đổi điện quang và quang điện ở bên thu và bên phát. II. Hệ thống truyền dẫn quang Các thành phần chính của tuyến có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần. Ngoài các thành phần chủ yếu này còn có các mối hàn bộ nối quang, chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. M¹ch ®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang Tr¹m lÆp M¹ch ®iÖn Ph¸t quang ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu §Çu thu quang KhuÕch ®¹i quang Bé nèi quang Mèi hµn sîi Sîi dÉn quang Bé chia quang Bé thu quang TÝn hiÖu ®Çu vµo TÝn hiÖu ®Çu ra TuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang III. Phạm vi ứng dụng của kĩ thuật truyền dẫn quang Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Trong lĩnh vực thông tin, các hệ thống truyền dẫn quang được ứng dụng vào các hên thống trung kế giữa các hệ thống tổng đài điện thoại và các tuyến truyền dẫn đường trục có dung lượng lớnvà cự li xa. Trong mạng digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang còn được sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, hình ảnh, số liệu…. Trong mạng truyền hình cáp, sợi được sử dụng có hiệu quả, thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian bằng sóng vô tuyến. Ngoài ra sóng còn được sử dụng trong các hệ thống cự li rất ngắn để truyền cac số liệu đo lường , điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc các thông tin văn phòng trong phạm vi mạng LAN. Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành 2 loại theo phạm vi ứng dụng: hệ thống thông tin đường dài và hệ thống thông tin cù li ngắn. Hệ thống truyền dẫn gồm : cáp quang, linh kiện phát quang ở đầu phát và linh kiện thu quang ở đầu thu, các bộ nối, các chỗ hàn nốivà linh kiện thụ động. Chúng quyết định giá thành của hệ thống. Với hệ thống đường dài, tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm cách nhau 1 khoảng lặp. Vì cáp quang cần khối lượng lớn nhưng nó là phần tử quyết định giá cả. Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát có công suất lớn. Vì vậy sợi quang đơn mốt được ưu tiên sử dụng, kèm theo đó là cáac bộ hàn bộ nối đắt tiền. Điot LED Ýt được sử dụng vì công suất nhỏ, mà LD được sử dụng nhiều hơn. Điot thu cũng được lưu ý chọn có độ nhạy cao, chẳng hạn APD hoặc PIN-FET. Với hệ thống cự li ngắn thì cáp không có vai trò quyết định, mà ngược lại là các bộ nối và linh kiện thu, phát quang. Có thể sử dụng sợi quang đường kính lớn nh­ sọi đa mốt SI và GI. Công suất phát quang cũng không cần lớn, nên có thể dùng LED. Tốc độ truyền dẫn cũng không lớn, nên diot thu cũng không cần loại băng rộng và đọ nhạy cao, có thể dùng diot PIN. Nh­ vậy tuyến truyền dẫn quang trong 2 trường hợp là có những chỉ tiêu tối ưu khác nhau. IV. Các phương pháp ghép kênh 1. Ghép kênh tín hiệu điện PCM và tín hiệu quang theo thời gian Hiện nay tồn tại 2 tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mã PCM. Đó là của châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn và của Mỹ-Nhật 1,544Mb/s cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn. Vì sợi quang có tiêu hao nhỏ và độ rộng băng lớn nên có thể tăng số kênh đến 1,6 hoặc 2,2Gb/s mà không phải rút ngắn khoảng lặp. Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM bằng các xung phát đi ngày càng hẹp lại , đòi hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên rất lớn. Chỉ có sợi quang với độ rộng băng truyền dẫn rộng mới có thể cho phép truyền dẫn tín hiệu PCM tốc độ lớn hơn nh­ thế. Từ khả năng ghép thời gian trên các hệ thống truyền dẫn có thể ghép tín hiệu theo thời gian. Mỗi tín hiệu quang là chùm PCM đã qua biến đổi điẹn quang. Nhờ đó tốc độ truyền dẫn tăng lên cao hơn. 6,312 32,064 97,728 397,2 3,152 6,312 44,736 274,176 34,368 139,264 560 1,544 2,048 96 kªnh 480 kªnh 96 kªnh 5760 kªnh 1440 kªnh 480 kªnh 480 kªnh 120 kªnh 4032 kªnh 672 kªnh 1920 kªnh 7680 kªnh 24 kªnh x 64Kb/s 30 kªnh x 4 x 3 x 4 x 2 x 2 x 7 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 8,448 2.Ghép kênh theo bước sóng P1 P2 T3 T4 GhÐp-t¸ch luång P3 P4 T1 T2 l3 MULDEX l3 l4 l22 l1 l1 l22 l4 MULDEX GhÐp-t¸ch luång SQ Nguyªn lý ghÐp kªnh theo b­íc sãng Trong phương pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng 2 sợi quang cho hai hướng thu phát độc lập. Ngoài ra thực hiện thu phát kênh theo bước sóng để thực hiện truyền dẫn 2 chiều theo cùng 1 sợi quang. Nhiều tín hiệu PCM ghép theo thời gian sẽ được truyền dẫn cùng 1 sợi quang nhờ ghép vào các bước sóng khác nhau nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị ở hình dưới. Các thiết bị ghép và tách luồng MULDEX là các bộ lọc ánh sáng. Máy phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bước sóng l1, l2. Còn ở đầu kia máy phát P3,P4 bức xạ ánh sáng bước sóng l3,l4. Các tần số quang được các bộ lọc ở 2 đầu đường dây tách ra. Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái sinh sau đó ghép trở lại đi trên tuyến chung. 3. Phương pháp ghép luồng rẽ hướng T1 T2 P1 P2 2 G1 G2 1 2 Nguyªn lÝ ghÐp t¸ch luång Hai luồng quang 1và 2 hòan tòan độc lập với bước sóng sử dụng và phương pháp ghép kênh tín hiệu điện, được tách thành luồng quang đi và luồng đến. Hai gương ở đầu thu G1, G2 là loại thu một chiều . Một gương sẽ cho luồng béc xạ phát của máy phát tại đó đi qua và một phần tổn thất ra ngoài, không lọt vào điôt thu. Các gương làm nhiệm vụ tách luồng thu và phát được trên cùng một sợi quang. Các phương pháp trên độc lập nhau, nên có thể kết hợp chung để sử dụng, tăng hiệu suất cho sợi . V. Phân loại các hệ thống truyền dẫn quang 1. Phân loại theo dạng tín hiệu điện Tín hiệu đưa vào điều biến có thể là analog hoặc digital. Hệ thống analog Ýt được chế tạo sử dụng, nhất là hệ thống băng tần tín hiệu rất rộng vì đặc tính công tácphi tuyến của diot laser phát, của diot thu quang, ảnh hưởng của tán xạ sợi quang.... Các hệ thống thu quang dải rộng hiện nay truyền dẫn digital dưới dạng ghép kênh PCM theo các cấp tiêu chuẩn. 2.Theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu biên Theo phương pháp điều biến quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu nên phân ra các loại sau: a. Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực hiện điều biến trực tiếp các diot laser. Các tín hiệu điện điều biến vào cường độ bức xạ nguồn quang. ở đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp trên diot quang từ công suất quang dưa vào. Các phần tử của hệ thống làm việc ở chế độ dơn mốt "một tần số" mà vẫn đẩm bảo khả năng truyền dẫn. Nhưng các hệ thống có tốc độ cực lớn thì bị hạn chế về độ nhạy về độ rộng băng truyền dẫn và cự li khỏang lặp. b. Hệ thống thu kết hợp: Phương pháp này điều biến gián tiếp nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu điện và luồng bức xạ quang dơn sắc đưa vào được điều biến trong bộ điều biến quang. Ở đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang được đưa vào bộ trọn là diot quang cùng với nguồnquang đơn sắc của bộ phát quang nội để lấy ở đầu ra một tần số trung gian, được đưa đến mạch tách sóng để tách ra tín hiệu điện ban đầu. Ph¸t l1 f1 Thu l0 f0 §i«t trén Nguyªn lÝ thu kÕt hîp Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bước sóng l1 tương ứng phần bước sóng f1 điều biến tải tin có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha. Tại đầu thu có bộ phát quang nội, phát xạ tia có bước sóng lo tương ứng fo. Cả f1, fo đưa vào bộ trộn là diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn đủ lớn cỡ 10GHz. Đủ để mang tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn. Nhưng cũng không quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại củamạch khuếch đại điện tử. Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu được tín hiệu ban đầu. So với phương pháp trực tiếp thì phương pháp này có độ nhạy cao hơn, tỉ số tín hiện nhiễu S/N lớn hơn nên tăng cự li trạm lặp nên có thể truyền các tín hiệu băng tần rất rộng. Hiện nó đang được sử dụng rộng rãi 3. Theo tốc độ và cự li truyền dẫn Các hệ thống đường dài chủ yếu đươch sử dụng trên mạng điện bao gồm các mạng két nối truyền dẫn giừa các vùng, mạng trung kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và các mạng phân phối truyền hình. Hiện nay có thể phân phối thành các loại: Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s hoặc dung lượng trung bình với tốc độ34Mb/s sử dụng trên mạng thuê bao ISDN và mạng trung kế giữa các tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km trong thành phố hoặc 20_30km ở vùng nông thôn , không có trạm lặp. Các hệ thống liên tỉnh với dung lượng rất lớn và tốc độ truyền dẫn 140Mb/s trở lên, cự li truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuốivà các trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn hơn 50km cho đến hàng trăm km. Đặc biệt các hệ thống cáp quang quốc tế dưới biển hiện nay đều được thiết kế với tốc độ 280,420,565,1200 và 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40-->400km. VI. Các thế hệ phát triển của hệ thống truyền dẫn quang 1. Thế hệ thứ nhất Bắt đầu từ những năm 1970. Sợi sử dung chủ yếu là loại SI hoặc GI, bước sóng ngắn 0,85mm. Linh kiện pháp là LD hoặc LED. Linh kiện thu là diot quang Si. Vì có ảnh hưởng của tán xạ vật liệu và tán xạ mốt. Nên tích số độ rộng băng (B) và độ dài khỏang lặp (L) nhá. BL=400-->1200MHz. Tán xạ và tiêu hao của sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền và cự li khỏang lặp. Hệ thống có dung lượng nhỏ và trung bình, chủ yếu sử dụng trong mạng trung kế và tổng đài. 2.Thế hệ thứ hai Nhờ tiến bộ của công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bước sóng dài 1,3mm. Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát là LD,LED loại InGaAsP. Linh kiện thu là APD Hoặc PIN nhóm III-IV hoặc tổ hợp PIN-GaAsMESFET. Không còn tán xạ vật liệu, còn tán xạ mốt, tích số BL tăng lên. Tốc độ truyền trung bình 34Mb/s cù li trung bình 3km. 3. Thế hệ thứ ba Sử dụng sợi đơn mốt SM, bước sóng dài 1,3mm.Không còn tán xạ mốt và vật liệu. Tán xạ tổng cộng rất bé. Hệ thống dùng cho đường trục với dung lượng lớn, tốc độ truyền dẫn cao và vượt cự li xa. Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung bình và độ rộng phổ bức xạ, do đó muốn tăng L thì giảm tán xạ của sợi quang hoặc gỏam độ rộng phổ bức xạ. Nếu sử dụng LD cộng hưởng Fabry-Perot thông thường (FP-LD) đạt cự li 50-60km cho hệ thống 140MB/s ở bứoc sóng 1,3mm Nếu tốc độ cao 400MB/s và 565MB/s để cự li 50km. Khi dùng FP-LD thì phải chọn và điều khiển cáp có tán xạ nhỏ và độ rộng phổ nhỏ, cáp được lắp đặt tốt. Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km thì chọn nguồn bức xạ có độ rộng phổ nhỏ. Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L do tán xạ tăng, gây ra tạp âm phân bố mốt. Thế hệ này được sử dụng rộng rãi trên thế giới. 4. Thế hệ thứ tư Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn thì phải: Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ. Sợi quang đơn mốt có tán xạ dịch chuyển DS-SM được sử dụng. Sử dông diot laser phát tin cậy, có độ rộng phổ bức xạ bé, đơn mốt. Các diot laser BH-LD và DFB-LD được chọn. Chọn diot thu quang có độ nhạy cao. Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớp InGaAsP có tạp âm nội và dòng tối nhỏ. Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với GaAs-MESFET làm bộ tiền khuếch đại có trở kháng vào cao và điện dung kÝ sinh nhá. Cho phép tăng đọ nhạy thu. 5. Xu thế phát triển của hệ thống truyền dẫn quang tương lai - Sử dụng kĩ thuật phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có. Mỗi kênh quang cần có bộ lặp trung gian riêng. Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít của mỗi kênh rất lớn. - Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent, nhờ đạt mật độ kênh rất cao. Trong tương lai phương pháp Coherent đóng vai trò chủ yếu vì tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB. Cù li khỏang lặp kéo dài đáng kể . Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km Truyền dẫn 36bit/s và 400Mbit/s vượt khỏang lặp 300km. Khó khăn là chế tạo diot leser bức xạ ánh sáng kết hợp chất lương cao. - Phát triển các loại sợi quang trên vật liệu mới Flor(F) thay SiO2, đạt giá trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km. - Phát triển vi mạch quang. Tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Sử dụng cách thức mới sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng VII. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại. Đường kính mẫu của sợi quang là 0,1mm nhỏ hơn nhiều cáp đồng trục có đường kính là 10mm. Do nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo Ýt, lại được lắp đặt dễ dàng ngay cả bằng tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng cường được nhiều kênh truyền mà tăng đường kính Ýt. Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn mòn nếu lớp ngoài bảo vệ có hư hỏng thì bên trong sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn hoạt động được . Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập mạch. Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ bị ảnh hưởng của điện từ bên ngoài. Nên có thể sử dụng ở những nơi có nhiễu điện từ trường mạnh nh­ là trong nhà máy, nhà máy điện … Vì nhẹ và không ảnh hưởng của điện từ nên được dùng trong máy bay, tàu thuỷ, trong công nghiệp truyền số liệu. Vì không gây nhiễu ra bên ngoài và không gây xuyên âm giữa các sợi quang nên bảo đảm không bị nghe trém. Vì là sợi điện môi nên đầu vào và ra cách điện nhau không có mạch vòng chạy qua đất. Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Tiêu hao nhá trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi có cùng chi phí xây dựng. Vì tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn. VIII. Nhược điểm Truyền dẫn quang đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn và tốn kém. Nước ta là nước đang pháp triển nên vấn đề này gặp nhiều khó khăn. Lắp đặt giữa các sợi quang đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thì đắt tiền Chương 2: Sợi quang I. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo và phân loại 1. Nguyên lí Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trừơng. Khi nó đi từ môi trường chiết suất cao hơn sang môi trường chiết suất thấp hơn để truyền ánh sáng trong sợi quang 2.Cấu tạo a dk dm Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n, bán kính là a, đương kính là dk. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết suất n2 < n1 có đường kính là dm Độ lệch chiết suất tuyệt đối Dn = n1 – n2 Độ lệch chiết suất tương đối D = Dn/n1 Hai tham số này đặc trưng cho khả năng truyền dẫn của sợi quang. Những đường kính thông dụng của sợi quang Lõi từ 8 – 10 / 125 mm: là sợi đơn mốt nó truyền thông tin với tốc độ cao nhất và suy hao thấp nhất. Nó được sử dụng cho những khoảng cách lớn hoặc trong truyền số liệu tốc độ cao. Do lõi nhỏ nên đòi hỏi độ chính xác mối hàn cao. Lõi 50/125 mm: loại này sử dụng rộng rãi. Do góc mở ( nA) thấp và kích thước lõi nhỏ nên chỉ cần lượng ánh sáng tối thiểu cho một sợi đa mốt. Trong tất cả các loại sợi đa mốt thì loại này có băng thông rộng nhất. Lõi 62,5/125 mm: Loại này băng thông Ýt hơn loại 50/125 mm nhưng lại Ýt nhạy cảm với uốn cong. Góc mở (nA) cao hơn đường kính lõi nên làm cho loại này có công suất ghép nối ánh sáng tốt hơn một Ýt loại 50/125 mm. Loại 80/125 mm có khả năng kết nối ánh sáng tốt. Lõi 100/140 mm : đường kính lõi lớn làm cho loại này rễ kết nối nhất nhưng lại Ýt nhậy cảm với độ chính xác. Nó tập trung được hầu hết ánh sáng từ nguồn nhưng lại có băng thông hẹp so với các loại trên. Nó được sử dụng ở những khoảng cách độ dài trung bình tốc độ thấp. Loại này Ýt thông dụng Bảng phân loại các loại sợi Lõi (mm) NA Tổn hao Băng thông Bước sóng 8 – 10 Nhỏ nhất Thấp nhất Cao nhất 1310 – 1550 50 Nhỏ hơn Thấp hơn Cao hơn 850 – 1310 62,5 Trung bình Thấp Thấp 850 – 1310 85 Lớn Cao Thấp hơn 850 – 1310 100 Lớn nhát Cao nhất Thấp nhất 850 – 1310 3. Phân loại sợi quang Theo cấu tạo : theo kích thước ruột và vỏ, theo vật liệu sử dụng và theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi. Theo đặc tính truyền dẫn: theo sợi đơn mốt, đa mốt. Phân loại theo đa mốt, đơn mốt Đặc điểm của sợi đa mốt là truyền dẫn đồng thời nhiều mốt, còn sợi đơn mốt thì truyền duy nhất một mốt. Sợi đa mốt có đường kính ruột dk khá lớn, còn sợi đơn mốt thì nhỏ hơn. Trong sợi đa mốt có nhiều tia sáng được truyền dẫn theo các đường khác nhau. Còn sợi đơn mốt thì chạy song song với trục của sợi . Theo sự biên thiên của chiết suất trong ruột sợi. Người ta chia ra chiết suất bậc SI (Step Index) và chiết suất biến thiên đều GI ( Graded Index). Trong sợi SI chiết suất ruột n1 không thay đổi và vì n1 > n2 nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy. Trong sợi GI có chiết suất n1 của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần đến mặt phân cách vỏ ruột thì bằng giá giá trị n2 của vỏ, sợi đơn mốt đực chế tạo từ sợi GI. Ta tạm chia làm 3 loại Sợi đa mốt chiết suất SI – MM ( Multi Modes) Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI – MM Sợi đơn mốt SI – SM (Single mode) r n n1 n2 Xung vµo Xung ra Sîi SIMM Sîi GIMM Sîi SISM Sự biến thiên chiết suất của sợi biểu thị qua công thức: n(r) = n1. cho |r| ≤ a n(r) = n2 cho |r| > a Khi g nhỏ thì công thức trên là sợi là sợi GI > Nhưng khi g -> oo thì n(r)àlà sợi SI. Thực tế với g≥ 10 coi là sợi SI trong thông tin đường dài g =2. Đặc tuyến truyền tốt 1≤ g ≤3. Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết suất n= = 1,5. Với er là hằng só điện môi tương đối của vật liệu .Thực tế chiét suất còn thay đổi theo bước sóng công tác. l/mm n 1,46 1,45 1,44 1 1,6 Muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột vỏ từ cùng thuỷ tinh thạch anh , ta cho thêm hoạt chất vào Cho GeO2 làm tăng chiết suất . Cho Flurit(F) làm giảm chiết suất . II. Các đặc tính và tham số của sợi quang 1. Sù lan truyền ánh sáng trong sợi quang Trong sợi đa mốt : Trong sợi SI_MM Xét hình bỏ dọc trục sợi Nguån bøc x¹ Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang, phải di qua môi trương không khí , có chiết suất nk=1 rồi đi vào môi trường sợi có n1>nk. Khi vào các tia bị khúc xạ ,chùm ánh sáng vào là chùm các vô số các góc tới khác nhau. Để các tai này lan truyền được thì mặt phân cách thoả mãn diều kiện phản xạ toàn phần góc tới hạn sinaT=n2/n1. Các tia muốn lan truyền được thì góc tới a,T >aT và góc nghiêng: 0≤ aA≤aA max ở sợi GI dùng thuỷ tinh thạnh anh thì Dn/n1 0.001à0,003 . Do vậy góc ngiêng aAmax=8oà14o Kết quả tính toán cho giá trị qmax=arcsinn1.=arcsin với D=(n12-n22 )/2n12. Muốn các tia được truyền dẫn còn phản xạ trên mặt phân cách vỏ ruột thì các tia đưa vào sợi phải nằm trên hình nón với các tia nửa góc mở là qmax ở đầu cuối dây. Để đặc trưng cho khả năng cho khả năng ghép nguồn bức xạ quang vào sợi . Đại lượng đặc trưng cho sợi là độ mở ( hay khẩu độ số ): DN =sinqmax. Khi DN tăng thì qmax tăng. Các tia khi phản xạ đều đi qua trục sợi là tia kinh tuyến, còn các tia mà phản xạ mà không đi qua trục sợi , khi phản xạ nhiều lần có xu hướng đến gần một hình tròn tới hạn mà nằm trên một mặt phẳng như tia kinh tuyến gọi là tia nghiêng. Các tia chạy với đường dích dắc khác nhau. Đến cuối sợi với quãng đường khác nhau nhưng vận tốc là không đổi v=c/n1=const. Khi chiết suất ruột biến thiên, nên vận tốc trong ruột cũng biến thiên theo bán kính r : v=c/n1(r)=v(r). ở sợi GI tia chạy theo dạng hình sóng, với chu kì vài khoảng vài milimet. 1 3 2 r n Tia 1: là tia dọc trục . Tia 2: là tia không đến mặt giới hạn vỏ ruột Tia 3: là tia vừa đạt đến mặt giới hạn vỏ ruột Muốn tia sáng không tiếp xúc với mặt phân cách vỏ ruột thì phụ thuộc vào tia sáng đưa vào sợi và độ mở sợi(q). Các tia dọc trục có đường đi ngắn nhất nhưng vận tốc là nhỏ nhất, vì n(r)=no=max. Các tia khác có đường đi dài hơn nhưng tốc độ lớn hơn. Nên trong sợi SI có sự bù trừ cho nhau về thời gian, và sự trênh lệch thời gian trong sợi GI < trong sợi SI. Chiết suất biến thiên theo hàm gần parabol Sợi SI có nhược điểm là ánh sáng đưa vào mặt cách của sợi trên mộ mặt cách nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ nhọn hơn Trong sợi đơn mốt các tia không thể lan truyền dưới các góc bất kì mà chỉ lan truyền theo các hướng nào đó để các tia thành phần không triệt tiêu nhau . Số mốt được lan truyền phụ thuộc vào tỉ số của đường kính sợi và bước sóng công tác .Tham số công tác g g =pdkn1//l. Để đạt được chế độ đơn mốt thì g phải nhỏ hơn giá trị tới hạn g G (chiết suất bậc thông dụng) g < g G=2,405. Với sợi SI : M=g2/4 Với sợi GI :M=v2.g/2(g+2) 2.Sù lan truyền các mốt trong sợi quang Mốt là trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng của Măcwel và điều kiện bờ là từ sợi quang Khi lan truyền thì năng lượng tập trung trong ruột sợi , còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra các mốt rò và mốt vỏ thì bị dập tắt ngay . Ta chỉ chú đến mốt lan truyền trong ruột sợi. Các mốt lan truyền có đặc tính sau: Mỗi mốt có sự phân bố năng lượng điện trường riêng trên mặt của sợi và không dổi dọc theo trục của sợi trong khi lan truyền. Các mốt hoàn toàn độc lập nhau. Mỗi mốt có tốc độ lan truyên riêng. Mỗi mốt chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng thoả mãn điều kiện l < lG. Trong chế tạo , có những chỗ không đồng nhất gây ra sù thay đổi chiết suất n1 của ruột sợi. ảnh hưởng đến điều kiện lan truyền của các sóng ánh sáng. Khi lan truyền thì các mốt không còn độc lập với nhau nữa mà giữa chúng có sự trao đổi năng lượng qua lại, gọi là trộn mốt. Hiện tượng này có lợi khi lan truyền các sợi đa mốt ở cự li dài, một số mốt mất đi. Giảm ảnh hưởng tán xạ của đa mốt. Nh­ vậy với mỗi sợi quang chỉ xác định được một ngưỡng lG2 để bên trên nó chỉ tồn tại mọt mốt lan truyên. III. Suy hao Suy hao trên sợi dẫn quang có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống là tham số xác định khoảng casxh giữa phía thu và bên phát . Suy hao sợi hay suy hao tín hiệu bằng công suất đầu ra, vào và chiều dài L là a=10.log(Pvào/Pra)/L. 1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang a. Do tạp chất : trong thuỷ tinh có tạp chất làm tăng đặc tính suy hao: nước, coban, ion sắt,…Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20dB/km thì sự có mặt của nước Ýt hơn nài phần tỉ. Có thể đạt được nhờ chế tạo từ phương pháp MCVD. Vời mức tạp chất này làm cho đường cing suy hao sẽ trơn hơn tại các đỉnh và khe suy hao. Suy hao Uèn cong do t¹p chÊt HÊp thô vËt liÖu B­íc sãng HÊp thô ®iÖn tö T¸n x¹ Rayleigh b. Hấp thụ vật liệu: ở bước sóng dài sẽ cho suy hao nhỏ hơn. Nhưng các liên kết nguyên tử lại kiên quan đến vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của liên kết hấp thụ nằm ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ vẫn ảnh hưởng và kéo dài đến bước sóng1550nm. ở vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể . c. Hấp thụ điện tử : Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các diện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Lúc này bờ cực tím của dải hấp thụ điện tử của hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có quan hệ a=c.eE/Eo. Với C,Eo là hằng số rót ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon Dặc tuyến đi xuống theo hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng. 2. Suy hao do tán xạ Là do tính không đồng đều rất ngỏ của sợi quang gây ra. Suy hao này làm giảm1/4 công suất bước sóng. Suy hao tá xạ tại bước sóng l: a =8p3(n2-1)2kB.TF.bT/3l4. Với n: chiết suất, kB: hăng số bonzoman, bT: hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu, TF: nhiệt độ hư cấu 3. Suy hao do uốn cong sợi Là suy hao ngoài bản chất của sợi , khi bất kì sợi dẫn quang nào cũng bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định. Thì sẽ bị phát xạ tín hiệu ra bên ngoài vỏ của sợi, nên ánh sáng lantruyền sẽ bị suy hao. Có hai loại uốn cong. Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong tương đối lớn hoặc lớn hơn đường kính sợi . Vi uốn cong: là sợi uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, nó hay xảy ra trong lúc bọc thành cáp. Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể xảy ra khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trí bị uốn cong. lâi Vá ph¶n x¹ Vá ph¶n x¹ lâi Nếu sợi bị uốn cong Ýt, giá trị suy hao xảy ra là Ýt và khó có thể thấy được . Một dạng khác của suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là suy hao do uốn cong ngẫu nhiên gây ra. Vi uốn cong là sự dao động trong phạm vi nhỏ của trục sợi, chúng nẩy sinh khi không đồng đều trong chế tạo sợi cũng nh­ khi có áp lực bên trong đều trong lúc bọc cáp. Đ