Đồ án Tìm hiểu một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật thông tin quang

Chúng ta đã bước vào thế kỹ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc và kiến thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành, mỗi quốc gia. Với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, Việt Nam đã và đang hiện đại hoá mạng lưới viễn thông để hoà nhập với thế giới góp phần không nhỏ cho sự phát triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước. Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại hình dịch vụ phong phú. Việt Nam gần đây nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn ở nhiều nơi chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng. Do vậy bằng kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể tạo ra các hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ cao, độ rộng băng tần lớn, truyền tín hiệu đi xa mà tổn hao lại thấp . Khi mức sống được nâng cao, nhu cầu của con người ngày càng tăng. Các dịch vụ như hội nghị truyền hình, thâm nhập đến các cơ sở dữ liệu từ xa Đòi hỏi phải có một mạng linh hoạt. Các môi trường truyền dẫn cũng được nghiên cứu ứng dụng vào thực tế để đáp ứng các yêu cầu này. Cáp quang ngày nay được ứng dụng nhiều vào thực tế và ngày càng khẳng định tính ưu việt của nó. Trong bản đồ án này, em đi vào tìm hiểu một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật thông tin quang gồm ba phần như sau : Phần I : Tổng quan về sợi dẫn quang, phần này gồm 5 chương. Chương I cho ta một cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang, ưu điểm của thông tin quang và những ứng dụng của nó. Chương II trình bày lý thuyết chung về sợi dẫn quang như cơ sở quang học và phân loại sợi quang. Chương III trình bày các nguyên nhân gây suy hao và tán sắc trong sợi quang. Chương IV nói về cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. Chương V trình bày về cấu trúc của cáp quang. Phần II : Kỹ thuật SDH, phần này gồm 2 chương. Chương I giới thiệu sơ lược về hệ thống truyền dẫn cận đồng bộ số PDH như nguyên tắc ghép luồng, các tiêu chuẩn PDH của Châu Âu, Nhật Bản, Bắc Mỹ, các đặc điểm của tín hiệu PDH và nhược điểm của hệ thống này. Chương II giới thiệu về hệ thống phân cấp đồng bộ số SDH, chương này cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về hệ thống SDH, ưu và nhược điểm của hệ thống SDH, giới thiệu về bộ ghép SDH, chức năng và cấu trúc của các khối trong bộ ghép SDH. Phần III : Thiết kế tuyến cáp quang trung kế - đường dài. phần này gồm 4 chương. Chương I nói về khái niệm tuyến trung kế - đường dài và phạm vi thiết kế tuyến này. Chương II trình bày một số loại cáp quang và các thông số vật lý của nó hiện đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam do Công Ty Liên Doanh Sản Xuất Cáp Sợi Quang VINA - GSC chế tạo. Chương III giới thiệu sơ lược về thiết bị truyền dẫn quang FLX150/600 do công ty FUJITSU của Nhật Bản chế tạo như mô tả về hệ thống FLX150/600, chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, mô tả thiết bị, mô tả chức năng của hệ thống, chức năng của các card trong hệ thống FLX150/600. Chương IV tiến hành thiết kế tuyến cáp quang cự ly ngắn nội Tỉnh Thừa Thiên Huế, chương này giới thiệu sơ lược về mạng viễn thông Tỉnh Thừa Thiên Huế, các yêu cầu đặc ra và phương pháp thiết kế tuyến từ đó tiến hành thiết kế một tuyến cáp quang cụ thể là tuyến Huế - Hương thủy, đây là một tuyến rất quan trọng trong địa bàn Tỉnh Thừa Thiên Huế.

doc93 trang | Chia sẻ: tuandn | Lượt xem: 3019 | Lượt tải: 17download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Tìm hiểu một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật thông tin quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Lời Nói Đầu -------------(((------------- Chúng ta đã bước vào thế kỹ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc và kiến thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành, mỗi quốc gia. Với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, Việt Nam đã và đang hiện đại hoá mạng lưới viễn thông để hoà nhập với thế giới góp phần không nhỏ cho sự phát triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước. Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại hình dịch vụ phong phú. Việt Nam gần đây nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn ở nhiều nơi chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng. Do vậy bằng kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể tạo ra các hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ cao, độ rộng băng tần lớn, truyền tín hiệu đi xa mà tổn hao lại thấp ... Khi mức sống được nâng cao, nhu cầu của con người ngày càng tăng. Các dịch vụ như hội nghị truyền hình, thâm nhập đến các cơ sở dữ liệu từ xa… Đòi hỏi phải có một mạng linh hoạt. Các môi trường truyền dẫn cũng được nghiên cứu ứng dụng vào thực tế để đáp ứng các yêu cầu này. Cáp quang ngày nay được ứng dụng nhiều vào thực tế và ngày càng khẳng định tính ưu việt của nó. Trong bản đồ án này, em đi vào tìm hiểu một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật thông tin quang gồm ba phần như sau : Phần I : Tổng quan về sợi dẫn quang, phần này gồm 5 chương. Chương I cho ta một cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang, ưu điểm của thông tin quang và những ứng dụng của nó. Chương II trình bày lý thuyết chung về sợi dẫn quang như cơ sở quang học và phân loại sợi quang. Chương III trình bày các nguyên nhân gây suy hao và tán sắc trong sợi quang. Chương IV nói về cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. Chương V trình bày về cấu trúc của cáp quang. Phần II : Kỹ thuật SDH, phần này gồm 2 chương. Chương I giới thiệu sơ lược về hệ thống truyền dẫn cận đồng bộ số PDH như nguyên tắc ghép luồng, các tiêu chuẩn PDH của Châu Âu, Nhật Bản, Bắc Mỹ, các đặc điểm của tín hiệu PDH và nhược điểm của hệ thống này. Chương II giới thiệu về hệ thống phân cấp đồng bộ số SDH, chương này cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về hệ thống SDH, ưu và nhược điểm của hệ thống SDH, giới thiệu về bộ ghép SDH, chức năng và cấu trúc của các khối trong bộ ghép SDH. Phần III : Thiết kế tuyến cáp quang trung kế - đường dài. phần này gồm 4 chương. Chương I nói về khái niệm tuyến trung kế - đường dài và phạm vi thiết kế tuyến này. Chương II trình bày một số loại cáp quang và các thông số vật lý của nó hiện đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam do Công Ty Liên Doanh Sản Xuất Cáp Sợi Quang VINA - GSC chế tạo. Chương III giới thiệu sơ lược về thiết bị truyền dẫn quang FLX150/600 do công ty FUJITSU của Nhật Bản chế tạo như mô tả về hệ thống FLX150/600, chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, mô tả thiết bị, mô tả chức năng của hệ thống, chức năng của các card trong hệ thống FLX150/600. Chương IV tiến hành thiết kế tuyến cáp quang cự ly ngắn nội Tỉnh Thừa Thiên Huế, chương này giới thiệu sơ lược về mạng viễn thông Tỉnh Thừa Thiên Huế, các yêu cầu đặc ra và phương pháp thiết kế tuyến từ đó tiến hành thiết kế một tuyến cáp quang cụ thể là tuyến Huế - Hương thủy, đây là một tuyến rất quan trọng trong địa bàn Tỉnh Thừa Thiên Huế. Mặc dù rất cố gắng nhưng do giới hạn về trình độ hiểu biết và thời gian hoàn thành nên bản đồ án này không khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để tiếp tục hoàn thiện hơn nữa bản đồ án này. Hà Nội, ngày …tháng … năm … Sinh viên thực hiện PHẦN I TỔNG QUAN VỀ SỢI DẪN QUANG CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT 1.1 Qúa trình phát triển của thông tin quang : Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng của lửa để làm phương tiện thông tin đến nay, lịch sử của thông tin quang đa qua những bước phát triển và hoàn thiện được ghi nhận những mốc thời gian sau : - 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang ( Opticat telegraph ) hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo tín hiệu di động trên đó, hệ thống này vượt chặng đường 200km trong vòng 15phút. - 1870 JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh, đã chứng tỏ rằng ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong. Thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay. - 1880 ALEXANDER GRAHAM BELL người Mỹ, giới thiệu hệ thống Photo phone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi ánh sáng trong môi trường không khí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì có quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền. - 1934 NORMAN R.FRENCH kỹ sư người Mỹ, nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của Ông là ống thuỷ tinh. - 1958 ARTHUR SCHAWLOW và CHARLESH TOWNES, xây dựng và phát triển Laser. - 1960 THEODOR H.MAIMAN đưa Laser vào hoạt động thành công. - 1962 Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận. - 1966 CHARLES H.KAO và GEOGREA.HOCKHAM, hai kỹ sư phòng thí nghiệm Standard Telecom munication của Anh đề xuất việc dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời ấy còn hạn chế nên suy hao quá lớn ( ( ( 1000dB/km ). - 1970 hãng GLASS WORK chế tạo thành công loại sợi có suy hao nhỏ hơn 20dB ở bước sóng 633nm. - 1972 loại GI được chế tạo với tốc độ suy hao 4dB/km. - 1983 sợi đơn mode (SM) được sản xuất ở Mỹ. - Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0,2dB/km ở bước sóng 1550nm. 1.2 Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang : Quan niệm về các hệ thống truyền dẫn quang ngày nay không còn là các hệ thống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm như vậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây : Trạm lặp Các thành phần chính của tuyến gồm 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 điện điều khiển liên kết. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang - connector, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. 1.3 Ưu điểm của thông tin quang : Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại : - Suy hao truyền dẫn nhỏ. - Băng tần truyền dẫn lớn. - Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ . - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. - Có kích thước trọng lượng nhỏ. - Sợi có tính chất cách điện tốt. - Tin cậy và linh hoạt. - Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có. Từ các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới. Có thể xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng mọi môi trường, hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số. Hiện nay các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). 1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của thông tin quang : Ngày nay, sợi quang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong thông tin liên lạc cũng như một số lĩnh vực khác. Sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn hiện nay gồm : - Mạng đường trục quốc gia. - Đường trung kế. - Đường cáp thả biển liên quốc gia. - Đường truyền số liệu. - Mạng truyền hình. - Mạng số đa dịch vụ. CHƯƠNG II LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI QUANG 2.1 Cơ sở quang học : Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800nm đến1600nm. Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng đó là 850nm, 1300nm và 1550nm. 2.1.1 Chiết suất của môi trường : Chiết suất của môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy.  n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị. C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s. V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s. Vì V ( C nên n ( 1. Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00 của nước là 1,33 của thuỷ tinh là 1,5 và của kim cương là 2,42. Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó. 2.1.2 Các đặc tính truyền dẫn của ánh sáng : Ánh sáng lan truyền trong các môi trường có 3 đặc tính cơ bản đó là : sự truyền thẳng, sự khúc xạ và sự phản xạ. - Sự truyền thẳng : Khi ánh sáng lan truyền từ một điểm A đến một điểm B trong một môi trường đồng nhất thì nó luôn truyền theo đường thẳng AB sao cho thời gian lan truyền là ngắn nhất. - Hiện tượng khúc xạ và phản xạ : Khi tia sáng truyền trong môi trường một đến mặt ngăn cách môi trường hai thì ánh sáng chia thành hai tia : một tia phản xạ lại môi trường một và một tia khúc xạ vào môi trường hai. Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới : + Cùng nằm trong mặt phẳng tới. + Góc phản xạ bằng góc tới. + Góc khúc xạ : n1sin(1 = n2sin(2 Khi góc tới lớn hơn một góc (o nào đó thì không có tia khúc xạ mà ta chỉ nhận được tia phản xạ gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. (o = n2/n1. Người ta ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần trong việc truyền dẫn sợi quang. Sợi quang gồm có : lõi có chiết suất n1 và lớp bọc có chiết suất n2. Khi ánh sáng đi vào sợi quang sẽ được phản xạ nhiều lần. Do đó, có thể truyền đi với khoảng cách xa. 2.1.3 Khẩu độ số NA : Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn một góc giới hạn (max nào đó. Sin của góc giới hạn này gọi là khẩu độ số (NA). NA = sin(max 2.1.4 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang : Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính ( khoảng cách tính từ trục của sợi ra ) sự biến thiên của chiết suất được viết tổng quát :  (Trong lõi) n(r)=  a < r ( b (Lớp bọc) Trong đó n1 : là chiết suất lớn nhất ở lõi. n2 : là chiết suất lớp bọc.  : Độ chênh lệch chiết suất. r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất. a : bán kính lõi sợi. b : bán kính lớp bọc. g : số mũ quyết định dạng biến thiên, g(1. Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : Dạng tam giác. g = 2 : Dạng Parabol. g ( ( : Dạng nhảy bậc. 2.2 Phân loại sợi quang : 2.2.1 Phân loại theo vật liệu điện môi : Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì có tổng số 3 loại, một loại sợi bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh và một loại là sợi bằng nhựa. Các sợi quang thạch anh không những chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F… để làm thay đổi chiết xuất khúc xạ. Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinh hoặc thủy tinh boro - silicat … Đối với vật liệu sản xuất sợi quang bằng nhựa, silicon resin ( tức là Polymethyl methacrylate : PMMA ) thường được sử dụng. Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Nhưng các loại sợi bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công ( như dễ dàng hàn nối, không phương hại đến các đặc tính truyền dẫn khi bẻ gập … ) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém. 2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ : Các sợi quang có thể phân loại thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Một loại là sợi quang có chiết xuất nhảy bậc SI ( Step Index ). Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết xuất giảm dần GI ( Graded Index ) 2.2.2.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI ( Step Index ) : Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và của lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như hình 2.2.  b a 0 n(r) Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc. ( Vì ( = C/n1 ở đây n1 không đổi ) mà đường dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới hiện tượng : Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, đây là hiện tượng tán sắc. Do có hiện tượng tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua cự ly dài được. 2.2.2.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần 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 hình 2.3.  Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI không bằng nhau, vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc lớn hơn và ngược lại. Các tia gần trục có đường truyền ngắn hơn, vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường Parabol ( g=2 ) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. 2.2.3 Phân loại theo Mode lan truyền : Theo Mode lan truyền, sợi quang được chia thành hai nhóm. Một là sợi quang đơn mode ( được gọi tắt là SM : single mode ). Loại sợi thứ hai là loại đa mode ( được gọi tắt là MM : multi mode ). 2.2.3.1 Mode sóng : Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi, khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. 2.2.3.2 Sợi đơn mode: Sợi đơn mode là loại sợi chỉ cho một mode sóng lan truyền. Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc hình 2.4  Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode Các thông số thông dụng của sợi đơn mode : - Đường kính lõi d = 9(m ( 10(m. - Đường kính lớp bọc: D = 125(m. - Độ chênh lệch chiết suất ( = 0,003 = 0,3%. - Chiếc suất lõi : n1 = 1,46. 2.2.3.3 Sợi đa mode: Sợi đa mode là sợi có nhiều mode sóng lan truyền. Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125(m) là: - Đường kính lõi d = 50(m. - Đường kính lớp bọc D = 125(m. - Độ chênh lệch chiết suất ( = 0,01 =1%. - Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46. Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần như hình 2.5  Hình 2.5 Kích thước sợi đa mode CHƯƠNG III CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 3.1 Suy hao của sợi quang : 3.1.1 Định nghĩa : Công suất quang truyền tải sợi cũng giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng :  Trong đó: P(0) : Công suất ở đầu sợi ( z = 0 ). P(1) : Công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi. ( : Hệ số suy hao. - Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:  Trong đó : P1 = P(0) Công suất đưa vào đầu sợi. P2 = P(1) Công suất ở cuối sợi. - Hệ số suy hao trung bình:  Trong đó: A : Suy hao của sợi. L : Chiều dài của sợi. 3.1.2 Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang : Công suất truyền trên sợi quang thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sự tán xạ của ánh sáng và sự khúc xạ chổ sợi bị uốn cong. 3.1.2.1 Suy hao do hấp thụ : + Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại : Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), chromium (Cr), cobal (Co), nikel (Ni)… Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ ( 10-9 ). + Sự hấp thụ của ion OH : Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ ( 10 –9 ) để giảm độ hấp thụ của nó. + Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại : Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao thì sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại. Độ hấp thụ này thay đổi theo bước sóng. 3.1.2.2 Suy hao do tán xạ : + Tán xạ Rayleigh : Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chổ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thuỷ tinh, các khuyết tật như bọt không khí, các vết nứt sẽ xãy ra hiện tượng tán xạ. Các tia truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng củ, phần còn lại truyền theo hướng khác thậm chí truyền ngược lại nguồn quang. Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỷ thừa bậc 4 của bước sóng ( (-4 ) nên giảm nhanh về phía bước sóng dài. Ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1(2 dB/km, ở bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0.3 dB/km và ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa. + Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo : Khi tia sáng truyền đến những chổ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ lớp bọc và suy hao dần. 3.1.2.3 Suy hao do bị uốn cong : + Vi uốn cong : Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chổ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi qua những chổ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chổ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi sợi. Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chổ vi uốn cong nhất là về phía bước sóng dài. + Uốn cong : Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càng tăng. 3.1.3 Đặc tuyến suy hao : Đặc tuyến suy hao điển hình của loại sợi quang đơn mode cấu tạo bằng thuỷ tinh SiO2 pha hợp chất GeO2 như hình 3.1 dưới đây : Hình 3.1 Đặc tuyến suy hao của sợi quang Đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao : + Cửa sổ thứ nhất : ở bước sóng 850nm, được coi là có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang chế tạo ở giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2(3 dB/km. Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao đó chưa phải là thấp nhất. + Cửa sổ thứ hai : ở bước sóng 1310nm, suy hao ở bước sóng này tương đối thấp, khoảng từ 0,4(0,5 dB/km. Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được sử dụng rộng rãi hiện nay. + Cửa sổ thứ ba : ở bước sóng 1550nm, hiện nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất có thể dưới 0,2dB/km.