Bài giảng Cấu tạo sợi quang học

CẤU TẠO SỢI QUANG HỌC Cáp quang gồm các phần sau: * Core : Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi * Cladding : Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi. * Buffer coating : Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt * jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là Cáp quang.Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket. Phân loại sợi quang học Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh Sợi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode lan truyền Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất bậc Sợi quang chiết suất biến đổi đều Sự suy hao tín hiệu • Suy hao do hấp thụ: Sù kh«ng tinh khiÕt cña sîi quang lµ nguyªn nh©n chñ yÕu cña suy hao ( do c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp nh­ : S¾t ,Cr«m , Coban, §ång vµ ®é Èm cña OH ) • Suy hao do tán xạ Rayleigh: xuÊt hiÖn khi cã sù thay ®æi chiÕt suÊt cña sîi quang x¶y ra trong 1 vïng nhá h¬n b­íc sãng ¸nh s¸ng sö dông • Suy hao bức xạ do bị bẻ cong:  (dB/km) 5 4 3 2 1 0,4 0,25 0 0,8 1 1,2 1,41,3 1,55  (m) Sự truyền dẫn quang trong sợi quang học Sự tán sắc đường truyền Nguyên nhân: do chùm tia sáng truyền theo nhiều đường khác nhau trong lõi cáp quang rộng. Xét hai tia sáng đi vào với góc và góc Truyền đi với cùng vận tốc Đối với tia truyền thẳng: Đối với tia ngoài cùng: 0 A 1r c v n  1 .r a n ll t v c   2 1 1 2 1 2 . . . s i n . r r e c r n l n l t c n c  • Độ chênh lệch thời gian: • Độ tán sắc đường truyền được tính bằng độ mở rộng thời gian trên một đơn vị chiều dài: • Độ rộng băng thông (tốc độ đường truyền): 1 2 . . . r r mp a e r n l n n c       1 2 . . m p r r r n n l n c   2 1 . . 2 . r r r n cf l n n    Sự tán sắc đường truyền • Nguyên nhân: do chùm tia sáng truyền theo nhiều đườngkhác nhau trong lõi cáp quang rộng. Xét hai tia sáng đi vào với góc và góc Truyền đi với cùng vận tốc Đối với tia truyền thẳng: Đối với tia ngoài cùng: 0 A 1r c v n  1 .r a n ll t v c   2 1 1 2 1 2 . . .sin . r r e c r n l n l t c n c  • Độ chênh lệch thời gian: • Độ tán sắc đường truyền được tính bằng độ mở rộng thời gian trên một đơn vị chiều dài: • Độ rộng băng thông (tốc độ đường truyền): 1 2 . . . r r mp a e r n l n n c       1 2 . . m p r r r n n l n c   2 1 . . 2 . r r r n cf l n n    • Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu • Vận tốc pha: • Vận tốc nhóm: • Ta có chiết suất pha, chiết suất nhóm: • Từ đó ta được vận tốc nhóm: pv k  Sự tán sắc vật liệu d g d kv  r p c n v  r g cN v  . /g r r r c c v N n dn d    Hình 1. Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn một thông thường Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau . Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt. Độ chênh lệch thời gian truyền sóng • Xét 1 xung có bước sóng di chuyển quãng đường l trong sợi dây • Lấy đạo hàm t theo bước sóng • Khi đó ta được độ chên lệch thời gian truyền sóng:  ( )r r g d nl l t n v d c     2 2 r d nt l c d      2 2 2 í 2 2 r r d p d n d nl l c d c d          • Gọi Ym là đại lượng đặc trưng cho tán xạ vật liệu: 2 2 2 r m d nY d   •Độ rộng băng thông: í . 4 4d p m l cf l Y    Dạng xung tổng 2 2 2 2 í( )tot in mp d p      T in: độ rộng xung ban đầu trước khi đi vào dây T mp: độ rộng xung do sự tán sắc đường truyền T dip : độ rộng xung do sự tán sắc vật liệu Với vật liệu một đường truyền thì T mp=0 Tán sắc ống dẫn sóng • Xuất hiện do hằng số lan truyền phụ thuộc khôngtuyến tính vào vận tốc ( bước sóng) trong ống dẫnquang • Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng • Nguồn quang là Led, đặc tính phổ rộng, hoạt động ởbước sóng 850nm tán sắc vật liệu là chủ yếu • Nguồn quang là laser diod, hoạt động tại bước sóng1300nm tán sắc đường truyền đóng vai trò chủ đạo Một số giải pháp khắc phục hiện tượng tán sắc đang được áp dụng hiện nay trên thế giới là sử dụng : Cáp quang thông tin có độ tán sắc tối thiểu (dispersion-shifted fibers) Cáp quang có khả năng bù độ tán sắc (dispension-compensating fibers). Nhược điểm : chi phí lớn do giá thành cáp quang đặc biệt này đắt hơn nhiều so với cáp quang thông tin thông thường. Ngoài ra phải tính đến chi phí để thay thế toàn bộ các cáp quang thông thường đã lắp đặt trước đó hoặc lắp đặt thêm những đoạn cáp quang bù tán sắc khá dài (cỡ vài km cáp quang bù tán sắc để bù cho vài chục km cáp quang thường) Cách khắc phục hiện tượng tán sắc Phương pháp bù độ tán sắc trong mạng thông tin quang tốc độ cao dùng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính Hình 3. Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi Hình 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bagg chu kỳ thay đổi tuyến tính • Xu hướng nghiên cứu tiếp hiện nay là các phương pháp apodization giảm độ gợn trễ nhóm, nghiên cứu các cách tử Bragg có chu kì biến đổi phi tuyến để không những bù tán sắc vật liệu mà còn bù được tán sắc phân cực và tán sắc mức cao (xảy ra khi truyền tốc độ lớn hơn 100 Gbps). Soliton comunication system • Tín hiệu quang khi lan truyền trong sợidây bị mở rộng và uốn cong do tán sắc. • Những xung quang lan truyền màkhông bị bóp méo gọi là solitons • Solitio được tạo ra do sự cân bằnggiữa sự tự điều biến pha và sự tán sắc(tạo ra bởi vận tốc nhóm)