Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên trong hệ thống thông tin sợi quang
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.1 Giới thiệu chương Cùng với phát triển khoa hoc kỹ thuật cáp quang sợi quang ngày phát triển nhằm phù hợp với môi trường khác nước, đất liền, treo không, đặc biệt gần cáp quang treo đường dây điện cao thế, đâu cáp quang sợi quang thể tin cậy tuyệt đối 2.2 Sợi quang 2.2.1 Đặc tính ánh sáng Để hiểu lan truyền ánh sáng sợi quang trước hết ta phải tìm hiểu đặc tính ánh sáng Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ đặc tính ánh sáng (được trình bày hình 2.1) Như ta biết, ánh sáng truyền thẳng môi trường chiết suất khúc xạ đồng Còn tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng xem xét trường hợp có hai mơi trường khác số chiết suất, tia sáng truyền từ môi trường có số chiết suất lớn vào mơi trường có số chiết suất nhỏ thay đổi hướng truyền chúng ranh giới phân cách hai môi trường Các tia sáng qua vùng ranh giới bị đổi hướng tiếp tục vào mơi trường chiết suất gọi tia khúc xạ ngược lại, tia sáng trở lại mơi trường ban đầu gọi tia phản xạ Theo định luật Snell ta có quan hệ: n1 Sinφ1 = n2 Sinφ (2.1) với φ1 góc tới φ góc khúc xạ 2.2.2 Đặc tính học sợi dẫn quang Sợi dẫn quang nhỏ, vật liệu chế tạo chủ yếu thuỷ tinh cho ta cảm giác dễ vỡ Tuy nhiên, thực tế lại ngược lại hoàn toàn, sợi quang lại chịu ứng suất lực căng q trình bọc cáp Điều chứng tỏ rằng, ngồi đặc tính truyền dẫn sợi quang đặc tính học đóng vai trị quan trọng q trình đưa sợi quang vào khai thác hệ thống thông tin quang - CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Pháp tuyến Pháp tuyến Tia khúc xạ Tia khúc xạ n2 n1 φ2 Ө Ө φ1 a) Tia tới Tia phản xạ Tia tới Pháp tuyến Pháp tuyến Tia tới Tia tới c c) c c) b Pháp tuyến Pháp tuyến Tia phản xạ Tia phản xạ Tia tới Tia tới d) d) Hình 2.1: Mơ tả tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng 2.2.2.1 Sợi quang Sợi quang sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi suốt khác chiết suất Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua lớp vỏ bao quanh Sợi quang thạch anh lõi có đường kính tùy thuộc vào u cầu cụ thể Phân loại theo vật liệu điện môi Sơi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang nhựa liệu Sợi quang đơn mode Sợi quang phân loại cách khác trình bày sau: Phân loại theo mode truyễn dẫn Sợi quang thạch anh Sợi quang đa mode Phân loại theo vật liệu điện môi Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sơi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang chiết suất phân bậc Sợi quang nhựa liệu Sợi quang chiết suất biến đổi CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode truyễn dẫn Sợi quang đa mode Sợi quang chiết suất phân bậc Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi Cấu trúc tổng thể sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn vỏ thủy tinh bao quanh lõi Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, vỏ thủy tinh có tác dụng tạo phản xạ tồn phần lớp tiếp giáp lõi vỏ Muốn chi số chiết suất lõi phải lớn chiết suất vỏ vỏ sợi Lõi sợi Hình 2.2: Cấu trúc tổng thể sợi 2.2.3 Suy giảm tín hiệu sợi quang - CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Suy hao tín hiệu sợi quang đặc tính quan trọng sợi quang định khoảng cách lặp tối đa máy phát máy thu Mặt khác, việc khó lắp đăt, chế tạo bảo dưỡng lặp nên suy hao tín hiệu sợi quang có ảnh hưởng lớn việc định giá thành hệ thống Suy hao tín hiệu sợi quang ghép nối nguồn phát quang với sợi quang, sợi quang với sợi quang sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh trình sợi bị uốn cong giới hạn cho phép tạo suy hao Các suy hao suy hao ngồi chất sợi, làm giảm chúng nhiều biện pháp khác Tuy nhiên, vấn đề ta xét đến suy hao chất bên sợi quang 2.2.3.1 Suy hao tín hiệu Suy hao tín hiệu định nghĩa tỷ số công suất quang lối Pout sợi có chiều dài L cơng suất quang đầu vào Pin Tỷ số công suất hàm bước sóng Người ta thường sử dụng α để biểu thị suy hao tính theo dB/km α= 10 Pin log P L out (2.2) Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ độ dài ngắn gần khơng có suy hao, Pout = Pin 2.2.3.2 Hấp thụ tín hiệu sợi dẫn quang Hấp thụ ánh sáng sợi dẫn quang yếu tố quan trong việc tạo nên chất suy hao sợi dẫn quang Hấp thụ nảy sinh ba chế khác gây Hấp thụ tạp chất: Nhân tố hấp thụ trội sợi quang có vật liệu sợi Trong thủy tinh, tạp chất nước ion kim loại chuyển tiếp làm tăng đặc tính suy hao, ion sắt, crom, đồng ion OH Sự có mặt tạp chất làm cho suy hao đạt tới giá trị lớn Các sợi dẫn quang trước có suy hao khoảng từ đến 10dB/km Sự có mặt phân tử nước làm cho suy hao - CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG tăng hẳn lên Liên kết OH hấp thụ ánh sáng bước sóng khoảng 2700nm tác động qua lại cộng hưởng với Silic, tạo khoảng hấp thụ 1400nm, 950nm 750nm Giữa đỉnh có vùng suy hao thấp, gọi cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm, 1550nm mà hệ thống thông tin sử dụng để truyền ánh sáng hình vẽ đây: Hình 2.3 Đặc tính suy hao theo bước sóng sợi dẫn quang quy chế suy hao Hấp thụ vật liệu: Ta thấy bước sóng dài suy hao nhỏ liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp gọi hấp thụ vật liệu Mặc dù bước sóng liên kết hấp thụ nằm bên ngồi vùng bước sóng sử dụng, có ảnh hưởng kéo dài tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng khơng giảm suy hao cách đáng kể Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ photon kích thích điện tử nguyên tử lên trạng thái lượng cao 2.2.3.3 Suy hao tán xạ - CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Suy hao tán xạ sợi dẫn quang tính khơng đồng nhỏ lõi sợi gây Đó thay đổi nhỏ vật liệu, tính khơng đồng cấu trúc khuyết điểm trình chế tạo sợi Việc diễn giải suy hao tán xạ gây phức tạp chất ngẫu nhiên phần tử thành phần ôxit khác thủy tinh Đối với thủy tinh khiết, suy hao tán xạ bước sóng λ bất ổn định mật độ gây diễn giải cơng thức đây: α scat = 8π 3λ4 (n − 1) k B T f β T (2.3) n: số chiết suất k B : số Boltzman β T : hệ số nén đẳng nhiệt vật liệu T f : nhiệt độ hư cấu (là nhiệt độ mà tính bất ổn định mật độ bị đông lại thành thủy tinh) 2.2.3.4 Suy hao uốn cong sợi Suy hao uốn cong sợi suy hao chất sợi Khi sợi dẫn quang bị uốn cong có bán kính xác định có tượng phát xạ ánh sáng vỏ sợi ánh sáng lan truyền lõi sợi bị suy hao Có hai loại uốn cong sợi: Uốn cong vĩ mơ: uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương lớn đường kính sợi Uốn cong vi mô: sợi bị cong nhỏ cách ngẫu nhiên thường bị xãy lúc sợi bọc thành cáp Hiện tượng uốn cong thấy góc tới lớn góc tới hạn vị trí sợi bị uốn cong Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường gọi uốn cong) tượng suy hao thấy rõ phân tích độ số NA nhỏ hình (2.4) Đối với trường hợp sợi bi uốn cong giá trị suy hao xảy khó mà thấy Khi bán kính uốn cong giảm dần suy hao tăng theo quy luật hàm mũ bán kính đạt tới giá trị tới hạn suy hao - 10 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG uốn cong thể rõ Nếu bán kính uốn cong nhỏ giá trị điểm ngưỡng suy hao đột ngột tăng lên lớn Hình 2.4: Sự phân bố trường điện vài mode bậc thấp sợi dẫn quang Có thể giải thích hiệu ứng suy hao uốn cong cách khảo sát phân bố điện trường mode Trường mode lõi có mờ dần sang vỏ, giảm theo khoảng cách từ lõi tới vỏ theo quy tắc hàm mũ Vì trường di chuyển với trường lõi nên phần lượng mode lan truyền vào vỏ Khi sợi bị uốn cong, đuôi trường phía xa tâm điểm uốn phải dịch chuyển nhanh để trì trường lõi cịn mode sợi bậc thấp Tại khoảng cách tới hạn xc từ tâm sợi, đuôi trường phải dịch chuyển nhanh tốc độ ánh sáng để theo kịp trường lõi (2.5) Một phương pháp để giảm thiểu suy hao uốn cong lồng lớp vỏ chịu áp suất bên sợi Khi lực bên tác động vào, lớp vỏ bị biến dạng sợi trì trạng thái tương đối thẳng hình (2.6) - 11 Hình 2.5: Trường mode đoạn sợi bi uốn cong CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Hình 2.6: Vỏ chịu nén giảm vi uốn cong lực bên 2.2.4 Tán sắc ánh sáng độ rộng băng truyền dẫn Khi lan truyền sợi, tín hiệu quang bị méo tác động tán sắc mode trễ mode Có thể giải thích hiệu ứng méo cách khảo sát thuộc tính vận tốc nhóm mode truyền, vận tốc nhóm tốc độ truyền lượng mode sợi Tán sắc mode giãn xung xuất mode vận tốc nhóm hàm bước ssóng λ Vì tán sắc mode phụ thuộc vào bước sóng nên tác động tăng theo độ rộng phổ nguồn quang Có hai ngun nhân gây nên tán sắc mode : Tán sắc vật liệu Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc vật liệu số khúc xạ vật liệu chế tạo lõi thay đổi theo hàm bước sóng gây Tán sắc vật liệu tạo phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng mode Tán sắc ống dẫn sóng sợi đơn mode giới hạn khoảng 80% công suất quang lõi nên 20% lại lan truyền lớp vỏ nhanh phần ánh sáng tới hạn lõi gây tán sắc Tổng hợp tán sắc sợi đa mode sau: - 12 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Tán sắc tổng = [(tán sắc mode) +(tán sắc bên mode) ] 2.2.4.1 Trễ nhóm Giả sử tín hiệu quang điều chế kích thích tất mode ngang đầu vào sợi Mỗi mode mang lượng tương thông suốt dọc sợi mode chứa toàn thành phần phổ dải sóng mà nguồn quang phát Vì tín hiệu truyền dọc theo sợi thành phần giả định độc lập truyền chịu trễ thời gian hay cịn gọi trễ nhóm đơn vị độ dài theo hướng truyền sau: τn dβ λ2 dβ = = =− L Vn cdk 2πc dλ (2.4) β : số lan truyền dọc theo trục sợi L: cự ly xung truyền đi, k = 2π λ Khi đó, vận tốc nhóm tính dβ Vn = c dk −1 (2.5) Đây vận tốc mà lượng tồn xung truyền dọc theo sợi Vì trễ nhóm phụ thuộc vào bước sóng thành phần mode mode riêng biệt tạo khoảng thời gian khác để truyền cự ly Do trễ nhóm thời gian khác mà xung tín hiệu quang trải rộng nên vấn đề ta quan tâm độ giãn xung có biến thiên trễ nhóm Nếu độ rộng phổ nguồn phát khơng q lớn lệch trễ đơn vị bước sóng dọc theo phần lan truyền xấp xỉ dτ n dλ Nếu độ rộng phổ σ λ nguồn phát đặc trưng giá trị hiệu dụng (r.m.s) σ λ độ giãn xung gần độ rộng xung hiệu dụng Lσ λ dτ σ n = n σ λ = − 2πc dλ - 13 dβ d 2β 2λ + λ2 dλ dλ (2.6) CHƯƠNG 2: D = SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG dτ n tán sắc có đơn vị [ps/km.nm] L dλ 2.2.4.2 Tán sắc vật liệu Nguyên nhân gây tán sắc vật liệu số chiết suất sợi dẫn quang thay đổi theo bước sóng Do vận tốc nhóm Vn mode hàm số số chiết suất nên thầnh phần phổ khác truyền với tốc độ khác tuỳ thuộc vào bước sóng Tán sắc vật liệu yếu tố quan trọng sợi đơn mode hệ thống sử dụng nguồn phát quang điốt phát quang LED Để tính tốn tán sắc vật liệu, ta xét sóng phẳng lan truyền mơi trường suốt dài vơ tận có số chiết suất n( λ ) ngang với số chiết suất lõi sợi, số lan truyền β cho trường hợp là: β= 2πn( λ ) λ (2.7) Thay phương trình vào (2.4) với k = 2π λ thu trễ nhóm τ v cho tán sắc vật liệu: τv = L dn n − λ c dλ (2.8) từ (2.10) có độ giãn xung σ v độ rộng phổ σ λ nguồn phát cách vi phân độ trễ nhóm σv = dτ v L d 2n σ λ = − λ σ λ = Dv ( λ ) L σ λ dλ c dλ (2.9) với Dv ( λ ) tán sắc vật liệu Đồ thị phương trình (2.9) cho đơn vị độ dài L đơn vị độ rộng phổ nguồn phát σ λ cho hình vẽ đây, từ cho ta thấy để giảm tán sắc vật liệu phải chọn nguồn phát có độ rộng phổ hẹp hoạt động bước sóng dài - 14 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Hình 2.7: Chỉ số chiết suất thay đổi theo bước sóng 2.2.4.3 Tán sắc dẫn sóng Hinh 2.8: Tán sắc vật liệu hàm số bước sóng quang sợi quang Để khảo sát tán sắc dẫn sóng ta giả thiết số chiết suất vật liệu khơng phụ thuộc vào bước sóng Về trễ nhóm, thời gian cần thiết để mode truyền dọc - 15 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG theo sợi có độ dài L Để đảm bảo tính độc lập cấu hình sợi, ta cho trễ nhóm dạng số lan truyền chuẩn hoá b viết: ua b = 1− = V β2 k 2 − n2 n −n (2.10) 2 giá trị chênh lệch chiết suất nhỏ ∆ = ( n1 − n2 ) n1 , phương trình (2.10) viết lại sau: β − n2 k n1 − n2 (2.11) β = n k ( b∆ + 1) (2.12) b= từ ta có Sử dụng hệ thức giả sử n2 khơng phải hàm bước sóng, ta thấy trễ nhóm τ ds = L dβ L d ( kb ) = n + n ∆ c dk c dk Mặt khác, V = ka ( n12 − n2 ) (2.13) ≈ kan2 2∆ thoả mãn giá trị ∆ nhỏ nên (2.13) viết lại j v2 ( ua ) d (Vb ) = b 1 − dV j v +1 ( ua ) j v −1 ( ua ) n2 + n ∆ (2.14) d (Vb ) biểu thị trễ nhóm phát sinh tán sắc dẫn sóng dV 2.2.4.4 Ảnh hưởng tán sắc đến dung lượng truyền dẫn Tán sắc gây méo tín hiệu điều làm cho xung ánh sáng bị giãn rộng truyền dọc theo sợi dẫn quang Khi xung bị giãn phủ lên xung bên cạnh Khi phủ vượt giá trị giới hạn thiết bị phía thu khơng phân biệt xung kề nữa, lúc lỗi bít xuất Như vậy, đặc tính tán sắc làm giới hạn dung lượng truyền dẫn sợi quang - 16 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.3 Cáp sợi quang Thực tế, để đưa cáp quang vào sử dụng sợi cần phải kết hợp lại thành cáp với cấu trúc phù hợp với môi trường lắp đặt Do phụ thuộc vào môi trường lắp đặt nên cáp quang có nhiều loại: cáp chơn trực tiếp đất, cáp treo cống, cáp treo trời, cáp đặt nhà, cáp thả biển 2.3.1 Các biện pháp bảo vệ sợi Trước tiến hành bọc cáp, sợi quang thường bọc lại để bảo vệ sợi chế tạo cáp Có hai biện pháp : • Bọc chặt sợi • Bọc lỏng sợi Đường kính tới 0.9mm Sợi bọc sư cấp Sợi quang b) Chất dẽo Chất dẻo mềm Chất dẽo cứng a) Băng chất dẽo 12 0.3mm 3.8mm Sợi bọc c) 0.45mm 1.6mm d) Hình 2.9: Ví dụ số bọc chặt khác Hình 1.41 Ví dụ số vỏ bọc chặt khác 2.3.1.1 Bọc chặt sợi Sợi quang bọc chặt làm tăng tính học sợi chống lại ứng suất bên Các sợi quang bảo vệ riêng lớp vật liệu - 17 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG dẻo đơn kép Trong môi trường nhiệt độ thấp, co lại chất dẻo lớp bảo vệ gây co quang trục vi uốn cong sợi, từ suy hao sợi tăng lên Từ rút hai cách bảo vệ sợi tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi việc lựa chọn vật liệu tương ứng độ dày vỏ, đồng thời giữ cho sợi thẳng tốt cách thứ hai bọc xung quang sợi lớp gia cường có khả làm giảm co nhiệt 2.3.1.2 Bọc lỏng sợi Sợi quang đặt cáp bọc lớp chất dẻo có màu mỏng Các sợi đặt ống rãnh hình chữ V có lõi chất dẻo Các ống rãnh có kích thước lớn nhiều so với sợi dẫn quang để sợi hồn tồn tự Kỹ thuật cho phép sợi tránh ứng suất bên Trong cấu trúc bọc lỏng, sợi nằm ống khe bảo vệ tốt Giải pháp dùng sợi đơn mà thường dùng cho sợi dạng băng 2.3.2 Các thành phần cáp quang Các thành phần cáp quang bao gồm: Lõi chứa sợi dẫn quang, phần tử gia cường, vỏ bọc vật liệu độn Lõi cáp: Các sợi cáp bọc chặt nằm cấu trúc lỏng, sợi cấu trúc lỏng rãnh kết hợp với tạo thành lõi cáp Lõi cáp bao quanh phần tử gia cường cáp Các thành phần tạo rãnh ống bọc thường làm chất dẻo Thành phần gia cường: Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng cáp, đặc biệt ổn định nhiệt cho cáp Nó kim loại, phi kim, nhiên phải nhẹ có độ mềm dẻo cao Vỏ cáp: Vỏ cáp bảo vệ cho cáp thường bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị tác động ứng suất học mơi trường bên ngồi Vỏ chất dẻo bọc bên ngồi cáp cịn vỏ bọc kim loại dùng cho cáp chôn trực tiếp - 18 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.4 Kết luận chương Kết thúc chương giúp ta hiểu thêm đặc tính kỹ thuật sợi quang cáp quang Để ứng dụng quang hệ thống thông tin sợi quang phải bọc thành cáp Với mơi trường khác cấu trúc cáp quang khác để phù hợp với nhu cầu thưc tế Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng tốt hệ thống thiết bị phát quang thiết bị thu quang góp phần quan trọng phần nghiên cứu chương sau - 19 ... CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode truyễn dẫn Sợi quang đa mode Sợi quang chiết suất phân bậc Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất biến... giới hạn dung lượng truyền dẫn sợi quang - 16 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.3 Cáp sợi quang Thực tế, để đưa cáp quang vào sử dụng sợi cần phải kết hợp lại thành cáp với cấu trúc phù hợp với... chiết suất lõi phải lớn chiết suất vỏ vỏ sợi Lõi sợi Hình 2.2: Cấu trúc tổng thể sợi 2.2.3 Suy giảm tín hiệu sợi quang - CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Suy hao tín hiệu sợi quang đặc tính quan