tổng quan về sợi quang

Trường hợp đặc biệt, với sợi quang có đường kính phần ruột rất bé, khoảng vài um 2..8 um, sự khác biệt giữa chiều dài đường truyền thẳng và phản xạ không đáng kể, chỉ tổn tại gần như một

MUC LUC

Lời mở đầu .- - - E5 E3 SE cv E3 E93 H1 1 11 g1 1 ng ng ng TH Trang 1 Chương 1 : Tóm tắt lịch sử phát triển của sợi quang -. -+-++ee: Trang 2

Chương 2 : Những đặc điểm của sợi quang - ¿+5 scsxsssererrerrrrrrrre Trang 5

| 2.1 Cơ sở lý thuyết về quang học -. + Street Trang 5

2.2 Cấu tạo CỦa SỢI QUAHØ - cv ng HH HH 1v Hư rg Trang 6

2.3 SợI quang đa mO€ 2 03133 13v v3 1 11 88091 1111 1k kh Trang 8

2.3.1 Sợi quang đa mode có chiết suất nhảy bậc - Trang 8 2.3.2 Sợi quang da mode có chiết suất biến thiên liên tục Trang 9

2.5 Suy hao thuần cỦa sợi quang - cành Trang 10

2.7 TAn X8 MOE 0 e Trang 13 2.8 Đáp ứng xung cỦa SỢi QUanØ - Ă5 Set Trang 14

2.9 Đáp ứng tần số tín hiệu của sợi quang ++c+scersererterrre Trang 15

2.10 Những đặc điểm của sợi quang - ¿+ csc sex setsereerrerrrrrrre Trang 17

| 2.11 Cấp Quang c ss tnn H ngà nhh tt v4 Trang 18

2.12 CAc loai CAp 7n Trang 20

PK N00 Trang 21 2.14 Các ưu khuyết điểm và ứng dụng của sợi quang - Trang 22 2.14.1 Ưu diểm, G cv Sky 1 1g xưng Trang 22 2.14.2 Nhược điểm .- - -L 2k 2tkx 2191283 1111 T1 11 HT ng Trang 23

3.6 So sánh giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu sỐ - - Trang 31

Chương 4 : Những giới hạn của sợi quang - -«+++sseneeetrrrrrerrrse Trang 33

4.1 Tính phi tuyến của dây dẫn Ăn he Trang 33 4.1.1 Tán xạ Brillouin cưỡng ĐỨC .- << ssetehheeeeeeire Trang 34 4.1.2 Tan xa Raman cưỡng ĐỨC . s + S$$à$nhhheehheeee Trang 35 4.1.3 Trộn bốn sóng (four wave mixing - FWM) ~ Trang 36 4.1.4 Tự điều chế pha (self-phase modulation - SPM) Trang 37 4.1.5 Điều chế pha chéo (cross-phase modulation - XPM) Trang 37 4.2 áccctầ Trang 38 4.3 Tán xạ màu sắc (sự tấn SẮC) - .c-s ST nen ngư Trang 39

4.4 Tán xạ mode phân CựỰC - «+ 2S +33 thi yg Trang 41 4.5 Timh todn tan Xa oc .cccccccsseccsssneceesseeeeessaeecssseecessaneeseseaeeeessraeessseeeseees Trang 42 4.6 Sự bù tấn Xạ - Ăn HH Họ gi HH 141110111114 Trang 43 4.7 EDFA (Erbium-doped fiber ampliÍler) - - << 5£ nneeeertree Trang 45

Chương 5 : Các thiết bị chuyển đổi quang-điện và điện-quang Trang 46 5.1 Hệ thống thông tin quang +-++s+s+*+xeteteretererrtrrrirrrrirre Trang 46

5.2 Các bộ phát quang . - + sennhhtrrhhhHhHg ii it Trang 47 5.3 Nguyên lý hoạt động -s-sssnnhnnhhhhhhHhhhhHrreHi Hư hư Trang 47 5.4 Những đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thật của bộ phát quang Trang 48

5.5 Các đặc trưng phổ - ccccctcscrtntrrrrirrirrrrrrriid Trang 48

5.6 Diode phat quang (LETD) - + «+55 + nénhehhhhhrrrriirrmrrrre Trang 50

5.8 VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) - - - Trang 53 5.9 Các bộ phát hiện quang - -+ 5s s>nnhnhhhtrrrrrririiririre Trang 55 5.10 Các thông số quan trọng của bộ phát hiện quang - Trang 56 5.10.1 Điện Dung ĂS Sen ¬¬ Trang 56 5.10.2 Khả năng đáp Ứng - chư Trang 56 5.10.3 Thời gian đáp Ứng -sssssnhnnhhhhhHhrrrrrrrrddrrr Trang 57

5.10.4 Ảnh hưởng gÓC -22¿©5+22t‡ExtZEerttrrerrerrirrrrrrrrrrree Trang 58 5.10.5 Dòng điện tối - tt Trang 59 5.10.6 Tuyến tính và sự phan xạ ngược ‹ -cceetreeere Trang 59 5.10.7 NIiGU Trang 60

by cai nh .‹ố Trang 61 5.12 Photodiode thác lũ APD (Avalanche Photodiode) - Trang 62 5.13 So sánh giữa photodiode PIN và APD « «Hee Trang 62 Chương 6 : Các thành phần cơ bản của sợi quang -+ceceeeree Trang 63

6.1 Cơ sở các bộ kết nối quang - 5 «+ tsteereresrereirrrririrerree Trang 63 6.2 Các bộ kết nối của sợi Quang - 55s sx+sseeetererrsrrirersrrrrre Trang 64 6.3 Những ảnh hưởng của công suất quang cao -+ceereeee Trang 66 6.3.1 Các ảnh hưởng trên bộ kết nối quang -++ +++++ Trang 67

€6) .n Trang 69 6.5 Các bộ ghép và tách quang csesseennehrhHhrrrrirrrmirriirre Trang 69 Chương 7 : Máy phát, máy thu và máy thu phát - ‹ ++tr*treteet Trang 74 7.1 Cơ sở của một máy phất -+- 55+ the Trang 74 7.2 Cơ sở của một máy thu - - sành tr re Trang 75 7.3 Cơ sở của một máy thu phát - - + Trang 77 7.4 Các đặc tính kỹ thuật . - 55c he th Trang 78

Chương 8 : Những chú ý khi thiết kế một hệ thống thông tin quang Trang 80 8.1 SỢợi QUaNE Sàn nh HH HH tr 00 0001111011111 te Trang 80

DA E: a, 0000 Trang 81 8.3 Các loại điều chế và ghép kênh . -++sseehhtrerrrrrrre Trang 83

8.4 So dé khOi cla MAY PhAt ccccceccceeeceeeeeseereeeseeeeesseeeseneeeereeeey Trang 85

8.6 Sơ đổ khối của máy thu - 5 ‡tt#trteetetertrrrerrirerre Trang 87

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tổng Quan Về Sợi Quang

quốc dân là vấn để tất yếu, hỗ trợ cho sự phát triển các cấu trúc

thượng tâng Trong các tiện nghỉ cơ sở cân phải được đầu tư xây

dựng thì hệ thống thông tin liên lạc là một lĩnh vực ưu tiên hàng

thuật tiên tiến nhất của sợi quang Tuy nhiên do kiến thức và thời

gian làm cuốn đồ án tốt nghiệp này có hạn, nên không tránh khỏi

những cái sai sót và thiếu sót kính mong được sự thông cảm và

đóng góp ý kiến để giúp cho cuốn đồ án tốt nghiệp này được

hoàn chỉnh hơn

SVTH Van Khai Thai

Lịch Sử Phát Triển Của Sợi Quang

CHƯƠNG 1:

Tóm tắt lịch sử phát triển của sợi quang

Với trình độ phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay, sợi quang đã trở nên rất phổ biến, được ứng dụng vào rất nhiều công trình lớn Thế nhưng, sợi quang đã trải qua một quá trình lịch sử phát triển lâu dài từ những ý tưởng đơn giản ban đầu đến các sáng chế mang tính kỹ thuật cao Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu

về lịch sử phát triển của sợi quang

Vào năm 1870 một người Anh tên John Tyndall lần đầu tiên chứng minh

việc truyền tín hiệu bằng quang học trước hội đồng British Royal Society (thuộc thành phố London Anh Quốc) bằng việc sử dụng một chùm tia ánh sáng và một vòi nước chảy từ bình này sang bình kia Khi nước được đỗ ra ngoài thông qua cái máng của bình đầu tiên, John lái một chùm tia sáng mặt trời đi xuyên qua một phân của nước Người xem thấy tia sáng phản xạ bên trong của phần cong tia nước đi theo hình z1gzag

Vào năm 1880 William Wheeling được cấp bằng sáng chế cho phương pháp truyền ánh sáng mà ông ta cho đó là “6ng din quang” (piping light) Hoc thuyét của William cho rằng do hiện tượng phản xạ của ánh sáng trong vòng cung đến những ống khác nhau và bằng việc ứng dụng phương pháp đó ông ta có thể chiếu sáng được một vài căn phòng bằng những hệ thống ống dẫn quang Tuy nhiên, sự thành công của bóng đèn dây tóc của Edison đã làm quên lãng ý tưởng của William

Trong cùng năm đó Alexander Graham Bell phát triển một hệ thống truyền

âm thanh bằng ánh sáng được gọi là “máy phát âm bằng ánh sáng” (photophone) Photophone làm việc dựa trên những tấm gương phan xa Anh nắng mặt trời lên một màn chắn, màn chắn này được gắn với một cái ống nói Ở máy thu, một điện trở được làm bằng selenium được lắp đặt trên một bộ phản xạ

hình Parabol kết nối với một nguồn pin được gắn với ống nghe điện thoại Sự thay đổi trong giọng nói con người là nguyên nhân gây ra sự dao động của màn rung dẫn đến sự thay đổi về cường độ ánh sáng làm cho trở kháng của điện trở selenium trong dây dẫn quang thay đổi Những sự biến đổi dòng điện qua ống nghe của điện thoại tạo ra sự dao động âm Ở tai nghe, đây được xem như việc chuyển đổi từ ánh sáng sang giọng nói Với việc truyền dẫn qua không gian, các photophone có thể mang giọng nói của con người đi xa được 200 m Phải mất rất nhiễu năm sau, những phát minh để hỗ trợ kỹ thuật này mới được phát triển, điểu này làm cho phát minh này không thể ứng dụng tại thời điểm được phát minh Bell cho rằng phát minh của mình sẽ trở thành tiêu chuẩn cho các thế hệ điện thoại trong tương lai do nó không cân kết nối bằng dây dẫn giữa máy phát

—————————————-kE —-— sr =s-csr-s-r=r-r-—==-=sr=s=r=s-=

Trang 2

Lịch Sử Phát Triển Của Sợi Quang

và máy thu.Trong thực tế, phát minh này mang đến cho thế giới bộ điều chế biên độ quang (optical AM) đầu tiên Ngày nay mối liên kết quang trong không gian tương tự như những khái niệm trong photophone của Bell và được xem như

là nền tảng của các ứng dụng hiện đại

Cùng với việc truyền tín hiệu video, kỹ thuật sợi quang được phát triển một cách nhanh chóng trong thế kỷ 20 Trong những năm thập niên 50 kỹ thuật sợi quang được ứng dụng đầu tiên vào sợi toàn là thủy tính (all glass)

Tuy nhiên trong quá trình sử dụng người ta nhận thấy độ suy hao tín hiệu là

rất lớn vì vậy nên không thể truyén di xa được Để khắc phục điều này người ta nghiên cứu và chế tạo ra sợi thủy tỉnh bao gồm một lớp phủ thủy tỉnh riêng biệt

Ở bên trong lõi của dây dẫn, ánh sáng được truyền đi trong khi lớp phủ thuỷ tinh bên ngoài có tác dụng bảo vệ cho ánh sáng không bị rò rỉ khỏi lõi bằng cách ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần Snell Law giải thích khái niệm này :

“Góc phản xạ ánh sáng từ môi trường này sang môi trường khác phụ thuộc vào

hệ số chiết suất của hai môi trường trong trường hợp này là lõi va vo”

Sự tiến bộ trong kỹ thuật Laser là bước phát triển kế tiếp trong ngành công nghệ sợi quang Chỉ là một con LED hoặc là một bộ đếm năng lượng cao hơn, diode Laser có một tiểm năng tạo ra một số lượng lớn ánh sáng trong một điểm

đủ nhỏ được sử dụng một cách hiệu quả trong sợi quang Khi tốt nghiệp đại học Columbia 1957 Gordon Gould khám phá ra ý tưởng sử dụng Laser, mô tả chúng như một nguồn cường độ ánh sáng Trong phòng nghiên cứu của viện nghiên cứu Bell, Charles Townes và Arthur Schawlow vận dụng hành lang ở nghị viện cho việc sử dụng tia Laser trong khoa học Laser được phát triển qua vài bước bao gồm việc phát triển ruby laser và helium-neon laser vào năm 1960 Chất bán dẫn laser được tìm thấy đâu tiên 1962 và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật sợi quang ngày nay

Các kỹ sư truyền thông nhanh chóng nhận thấy được tầm quang trọng của tia

laser và khả năng điều chế tần số cao hơn Tia sáng có khả năng mang thông tin gấp 10.000 lần so với sóng radio có tân số cao nhất Bởi vì những điều kiện tự nhiên như là mưa, tuyết, sương mù đã làm nhiễu loạn tia laser Các nhà khoa học cần tìm ra một phương pháp truyễn khác với phương pháp free-space Nam

1966, Charles Kao và Charles Hockham làm việc ở phòng thí nghiệm tiêu chuẩn viễn thông Anh trình bày một ý tưởng để giữ mức suy hao tín hiệu của sợi quang dưới 20 dB/km Tại thời điểm hiện tại mức suy giảm tín hiệu sợ quang thường lớn hơn 1000 đB/km Với mức suy giảm 20 dB/km 99% tia sáng sẽ bị mất sau

3300 feet Nói cách khác chỉ 1% năng lượng tín hiệu truyền có thể nhận được bởi máy thu

Các nhà khoa học cho rằng việc suy giảm tín hiệu là do sự không tinh khiết của thủy tinh Năm 1970 tiến sĩ Robert Maurer, Donald Keck và Peter Schultz của Coring thành công trong việc phát triển sợi thủy tỉnh mà độ suy hao nhỏ hơn

———-_———

Trang 3

Lịch Sử Phát Triển Của Sợi Quang

20 dB/km, đó là ngưỡng cho việc chế tạo sợi quang có thể tổn tại được Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật việc chế tạo ra như là: chip bán dẫn, bộ cảm biến quang, dây dẫn quang thật sự là bước khởi đầu cho ngành truyền thông bằng

Sợi quang

Trong những năm thập niên 80 tổ chức viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunications Ủnion) và các tổ chức quốc tế khác đã để ra một tiêu chuẩn cho ngành viễn thông có tổng cộng 6 băng tần cho việc truyền bằng sợi quang :

O-Band (original band) có bước sóng từ 1260 nm đến 1310 nm

E-Band (extended band) có bước sóng từ 1360 nm đến 1460 nm

S-Band (short banđ) có bước sóng từ 1460 nm đến 1530 nm

C-Band (conventional banđ) có bước sóng từ 1530 nm đến 1565 nm

L-Band (long band) có bước sóng từ 1565 nm đến 1625 nm

U-Band (ultra banđ) có bước sóng từ 1625 nm đến 1675 nm

Riêng băng tần thứ 7 không được định nghĩa bởi [TU nhưng được sử dụng trong các mạng riêng, cá nhân, nội bộ có bước sóng nằm trong khoảng 850 nm Các nhà nghiên cứu cố gắng tìm ra và phát triển sợi vật liệu thay thế để có thể làm giảm sự suy hao hoặc cải tiến hơn so với sợi cũ Tuy nhiên, giống như hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay, sợi quang dựa trên nén tang silicon mac

dù một vài lựa chọn vật liệu dây dẫn được tìm thấy cho những cách sử dụng đặc biệt Ví dụ như việc truyển đữ liệu trong khoảng cách ngắn của dây dẫn plastic

giúp cho thiết lập một hệ thống Home Theater Do ưu điểm về giá thành của dây dẫn thủy tinh trong hon 1 thập niên qua đã tạo ra sự kiểm hãm cho sự phát triển của dây dẫn plastic

Những Đặc Điểm Của Soi Quang

CHƯƠNG 2 :

Những đặc điểm của sợi quang

Việc thông tin bằng ánh sáng trong không gian bị giới hạn nhiều bởi các

điều kiện thời tiết và chướng ngại vật trên đường truyền thẳng Khả năng truyền

ánh sáng trong một đường dẫn được đặt ra Tuy nhiên để tránh hiện tượng khúc

xạ của ánh sáng từ phần trong của ống lên lớp bọc (làm mất mát năng lượng tin hiệu), yêu cầu có sự phản xạ toàn phần sẽ cho ta khẩ năng truyền tối ưu Trong sợi quang, chiết suất ở lớp trong của sợi sẽ lớn hơn chiết suất ở vùng không gian bên ngoài

2.1 Cơ sở lý thuyết về quang học :

Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng :

| Khi cho một tia sáng chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết

suất n¡, nạ duới một góc tới Đụ; , tia sáng đó có thể phân chia thành hai tia sáng khác nhau: tia phản xạ và tia khúc xạ

Hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi :

| > 016; > 8, vdi 8, = arcsin(n2 /n;)

Trong đó :

| n¡ : chiết suất của môi trường chứa tia tới

n› : chiết suất của môi trường chứa tia khúc xa

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Xét về mặt năng lượng, khi tia sáng chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau, tia sáng đó có thể mất đi một phần năng lượng do khúc xạ ra ngoài môi trường kia Năng lượng này chỉ được bảo tổn khi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần Như vậy khi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, tia sáng chiếu tới mặt phân cách sẽ phản xạ hoàn toàn lại môi trường dang truyền, có nghĩa là không bị suy hao về năng lượng

Dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần, ta có thể truyền dẫn ánh sáng đi xa được trên một môi trường truyền đặc biệt gọi là sợi quang

2.2 Cấu tạo của sợi quang :

Sợi quang cấu tạo gồm một ruột (core) có chiết suất n¡, đặt ở giữa một lớp

vỏ (cladding) có chiết xuất nạ < n¡ Sự phản xạ toàn phần xuất hiện tại bể mặt phân cách giữa hai lớp này

Sự khác biệt giữa chiết suất của lớp ruột và lớp vỏ thường được chọn rất bé (khoảng vài °/4„) để có được sự khác biệt không đáng kể của chiều dài đường

truyén (va đương nhiên, thời gian truyền) giữa tia sáng dọc theo trục và tia phan

xạ toàn phần trên lớp vỏ Người ta còn có thể giảm nhỏ hơn nữa sự khác biệt này bằng cách thay vì dùng sợi quang có chiết suất nhảy nấc (hình 2.1), ta dùng sợi quang có chiết suất biến thiên liên tục (hình 2.2), được gọi là sợi quang có chiết suất gradient

Trường hợp đặc biệt, với sợi quang có đường kính phần ruột rất bé, khoảng vài um (2 8 um), sự khác biệt giữa chiều dài đường truyền thẳng và phản xạ không đáng kể, chỉ tổn tại gần như một mode duy nhất (hình 2.3) cho sóng ánh

sáng, được gọi là sợi đơn mode (singlemode) Điều này tương phản lại với sợi đa mode (multimode) có kích thước phần ruột khoảng vài chục ưm (25 đến 100um), chịu sự méo dạng sóng nhiều do thời gian truyền khác nhau của nhóm sóng, do

đó hạn chế tốc độ truyền nhị phân của sợi quang

Sợi quang được chế tạo chủ yếu bằng chất silice tinh khiết, có khi trộn thêm các chất bore, phosphore, germanium để kiểm soát thông số về chiết suất

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Để chọn đúng loại cáp cho ứng dụng phải dựa trên các thông SỐ Sau :

Kích thước của lõi và lớp vỏ (ví dụ : 50/125 nm)

Vật liệu và cấu trúc của sợi (ví du : lõi thủy tính, lớp bọc thủy tinh)

Độ suy hao của dây dẫn (dB/km)

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

nhau được nhận biết như là hiện tượng tán xạ, và kết quả là ở phía máy thu sẽ

nhận được một tín hiệu lộn xộn Sự tán xạ sẽ được trình bày sau trong chương

này, tuy nhiên điều cần chú ý sự tán xạ cao là một đặc điểm không thể loại bỏ

- được của sợi quang đa mode có chiết suất nhảy bậc

2.3.2 Sợi quang đa mode có chiết suất biến thiên liên tục :

Để bù đắp cho sự tán xạ vốn có trong sợi quang đa mode có chiết suất nhảy bậc, các nhà nghiên cứu đã phát triển sợi quang đa mode có chiết suất biến

thiên liên tục Biến thiên liên tục có nghĩa là hệ số khúc xạ giảm dân từ trong ra

ngoài Sự khúc xạ tăng ở tâm của lõi làm chậm tốc độ của một vài tia sáng, cho

phép tất cả các tia sáng được nhận ở máy thu cùng một khoảng thời gian như

nhau làm giảm hiện tượng tán xạ

Hình 2.5 cho thấy nguyên lý của sợi quang đa mode có chiết suất biến thiên liên tục Chỉ số khúc xạ tâm của lõi (nạ), thì lớn hơn chỉ số khúc xạ bên ngoài

phần tâm của lõi (ng) Như mô tả, chỉ số khúc xạ của lõi là một hình parabol có

nghĩa là cao hơn ở tâm Như hình 2.5 cho thấy tia sáng không còn di theo đường

thẳng mà chúng đi theo đường cong, từ từ cong đến phía trước tâm bởi chỉ sé

khúc xạ giảm liên tục Điều này làm giảm độ lệch thời gian đến bộ thu bởi vì tất

cả các mode đến cùng một khoảng thời gian như nhau Tia sáng di chuyển thẳng

dọc theo tâm của lõi nơi có chỉ số khúc xạ cao hơn sẽ có tốc độ chậm hơn so với

các tia sáng khác Những tia sáng khác di chuyển xa hơn nhưng với tốc độ cao

hơn do chỉ số khúc xạ nhỏ hơn lớp bên ngoài tâm của lối

Hình 2.5 : Sợi quang đa mode có chiết suất biến thiên liên tục

2.4 Sợi quang đơn mode :

Sợi quang đơn mode cho phép truyền thông tin dung lượng cao hơn bởi vì nó

có thể giữ lại chính xác xung của mỗi tia sáng qua mỗi khoảng cách dài hơn và

nó không có sự tán xạ như ở sợi quang: đa mode Sợi quang đơn mode cũng có

hệ số suy hao thấp hơn, cho phép truyền nhiều thông tin hơn trong mỗi đơn vị

thời gian Giống như sợi quang đa mode, sợi quang đơn mode thế hệ đầu cũng

có những đặc tính chung như là sợi quang đa mode có chiết suất nhảy nấc, hệ số

khúc xạ giảm dân từ trong lõi ra ngoài lớp vỏ giống như trong sợi quang đa

—————————cTns=r==r—— -c-———— rssnnn=

Trang 9

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

mode có chiết suất biến thiên liên tục Sợi quang đơn mode hiện đại có một sự phát triển vào trong cấu trúc phức tạp (như là lớp bọc kết hợp, lớp bọc nén

Hình 2.6 minh họa một phân của tia sáng đi qua sợi quang đơn mode

Bên cạnh đó thì sợi quang đơn mode cũng có những nhược điểm như : bán kính nhỏ nên việc ghép tia sáng vào bên trong lõi khó khăn hơn, dung sai đáp ứng cho kết nối đơn mode và ghép nối tăng Thêm nữa hệ thống 1550 nm có thể

dễ bị ảnh hưởng bởi một số hiện tượng tương đối mới, giới hạn chỉ tiêu kỹ thuật được biết như là tính phi tuyến của sợi quang

Hình 2.6 : Sợi quang đơn mode

2.5 Suy hao thuần của sợi quang :

Suy hao trong sợi quang do sự hấp thụ và sự tán xạ của ánh sáng trong môi trường điện môi của sợi Những tạp chất và sự bất đồng nhất của vật liệu đóng vai trò quan trọng làm suy giảm tín hiệu Chế tạo sợi quang tt tổn hao đòi hỏi công nghệ cao và phương pháp sản xuất tốt Với độ tạp chất 10, độ suy khoảng vài dB/km

Hình 2.7 miêu tả độ suy hao của sợi quang theo bước sóng ánh sáng À Anh

sáng trong vùng gần hồng ngoại (0,7um ->1,6um) sẽ có độ suy hao nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng vùng khả kiến (0,4um ->0,7m).

Hình 2.7 : Suy hao thuần của sợi quang

Ngưỡng dưới của độ suy hao là mức lý thuyết cho bởi định luật Rayleigh về tần xạ sóng, theo đó mức năng lượng bị hấp thụ tỷ lệ với UM

Đỉnh nhọn của đặc tuyến hình 2.7 là do sự cộng hưởng của gốc ion OH được coi như các tạp chất trong sợi

Có 3 vùng bước sóng đều ở vùng hồng ngoại cho độ suy hao cực tiểu Đại đa

số các hệ quang cũ hoạt động ở vùng bước sóng 0,85um, do các kết quả nghiên cứu sai lạc từ những năm 70, cho rằng đây là vùng có độ suy hao thấp nhất Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới nhất (trong đồ thị hình 2.8) cho thấy tổn tại vùng bước sóng 1,31m có tổn hao nhỏ hơn; ngược lại, công nghệ chế tạo phức tạp hơn, nhất là các bộ phận quang điện tử (opto-electronics) Vùng thứ ba ở bước sóng 1,55 um hiện đang được sử dụng nhiều

Phổ của các vùng sóng quang trên so với phổ ánh sáng mặt trời và vùng ánh sáng khả kiến được vẽ trên hình 2.8

Trang l1

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

mặt trời

2.6 Số mở của sợi quang :

Số mở (numerical aperture) của sợ quang là thông số đặc trưng cho khả

năng tiếp nhận ánh sáng từ nguồn ngoài đặt vào đầu tiếp giáp của sợi và cho

các tia phan xa toan phan trong phan 16i (core)

Hình 2.9 : Số mở của sợi quang

Với sợi quang chiết suất nhảy nấc n/n; (hình 2.9), số mở N được định nghĩa:

N =ng.SINYomax

nọ.sinyo =n¡.siny, (1) ny.siny; =Ny.siny2 (2)

a

Trang 12

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Tix (2) <> — nysin(90°- y,) = nsin(90°- y2)

phần trong ruột

Đối với sợi quang chiết suất gradient, chiết suất n; của phần lõi biến thiên theo bán kính n¡ = n;ứ) Số mở N sẽ lớn nhất tại trục của sợi và triệt tiêu tại bán kính của lõi

2.7 Tán xạ mode :

Như đã nói ở phần trên, hiện tượng tán xạ xảy ra ở sợi đa mode Ở mục này

ta tìm hiểu sâu hơn về hiện tượng này cũng như những ảnh hưởng do hiện tượng này gây ra trong quá trình truyền dẫn bằng sợi quang

Sự tán xạ mode là do ảnh hưởng của sự khác biệt về chiều dài đường đi giữa tia xuyên trục và các tia phản xạ toàn phân (với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn) Với sợi quang chiết suất nhảy nấc m / nạ (hình 2.9), các chiều dài này tỉ lệ nhau qua hệ số COSY1max:

Như vậy, hiệu số thời gian truyền của các nhóm là :

Ta có thể giảm tán xạ mode bằng cách dùng chiết suất gradient : vật tốc sóng sẽ tăng khi tia sáng đi xa trục, do đó, dù lại được quãng đường dài hơn Phân bố chiết suất dạng parabol là kiểu thích hợp nhất, cho phép giảm nhiều An, (hiệu số thời gian truyền) Việc khống chế sự phân bố chiết suất là vấn để rất tỉnh vi, chỉ cần có sự biến động nhỏ về chiết suất sẽ dẫn đến sự thay đối lớn về

Đáp ứng xung của sợi quang :

Đáp ứng xung h() của sợi quang được xác định là hình bao cường độ của tín hiệu quang ở đầu ra của sợi quang, khi đặt vào đầu vào một tín hiệu quang có dạng biên độ là một xung đột biến với bước sóng don sac A

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Hình 2.10 là đáp ứng xung của sợi quang, được chuẩn hóa với biên độ cực đại của chúng, là hàm của chiểu dài 7 của sợi quang có chiết suất nhảy nấc

Để đặc trưng cho đáp ứng xung h(), ta định nghĩa độ rộng hiệu dụng hore (RMS pulse width) là quãng thời gian được xác định theo công thức sau :

Người ta nhận thấy được các đặc điểm của xung đáp ứng :

w Sự tán xạ mode sẽ làm thay đổi độ khác biệt của thời gian truyền nhóm Art, , do đó độ rộng hiệu dụng dụ „ tăng tỷ lệ với chiéu dai / của sợi

v Tuy nhiên, khi chiều dài / của sợi quang vượt quá một mức chiều dài nhất định /„ tùy thuộc vào từng loại sợi quang (từ vài m cho đến vài km), sự ghép của các mode trong sợi làm cho độ rộng hiệu dụng dụ „ tăng chậm lại và dần dần tỷ lệ với vl

Y Khil > ï„ thì đáp ttng xung h(t) sé c6 dang gần giống như phân bố Gauss theo thời gian Đáp ứng sẽ được tính :

2.9 Đáp ứng tần số tín hiệu của sợi quang :

Trong mục này ta xét đến sự suy hao của tín hiệu trên sợi quang phụ thuộc vào tần số tín hiệu dải nền được dùng để điểu chế ánh sáng, tức là hình bao của sóng điện từ quang, chứ không phải phụ thuộc vào bước sóng của chính sóng quang đó Nói một cách khác, ngoài sự suy hao thuần quyết định bởi bước sóng

A của sợi quang, còn có sự suy hao phụ thuộc vào chính tín hiệu điều chế sóng quang đó nữa

Tín hiệu này mang thông tin, Ở tần số càng cao, sẽ chịu sự suy hao càng lớn trên đường truyền quang

Sự suy hao này do đặc tính tán xạ mode và ghép giữa các mode trong sợi Như phần trình bày ở trên, đáp ứng xung h() và biến đổi Fourrier của nó H@) có liên quan trực tiếp đến hàm truyén của sợi quang va do đó, đến độ suy hao trên

—

ene

Trang 15

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

^ : là bước sóng của sợi quang

f : là tân số tín hiệu hình bao

Tóm lại sợi quang có các đặc tính đáng chú ý sau :

a Với tần số tín hiệu f << 1/ dụ „ độ suy hao chủ yếu là do suy hao thuần phụ thuộc vào bước sóng À

a Độ rộng hiệu dụng của đáp ứng xung dụ „ phụ thuộc không tuyến tính vào chiều dài / của sợi Độ rộng này ảnh hưởng đến suy hao theo tần số tín hiệu

a Sợi quang có đặc tính như là một mạch lọc thông thấp, với tần số cắt 1/ dụ rất lớn Độ suy hao được miêu tả ở hình 2.11 sau

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

===———. =_

2.10 Những đặc điểm của sợi quang :

Hình 2.12 so sánh độ suy hao tích khoảng cách-băng thông và công suất của

3 loại kích thước sợi quang Số nhỏ hơn hiển thị đặc tính sợi quang tốt hơn Tích khoảng cách-băng thông mô tả số lượng thông tin mà sợi quang đơn mode có thể mang trong một giây Số lớn hơn mang lượng thông tin nhiều hơn Công suất ám chỉ công suất quang tương đối có thể được ghép vào một sợi quang khi sử dụng dén LED; soi 50/125um được dùng làm tham chiếu Xem những kích thước sợi khác, sợi 62,5/125 um có thể ghép 4,5 đB hoặc 181% công suất lớn hơn sợi 50/125 um Sợi quang đơn mode có công suất khoảng —13 dB so với sợi 50/125

um Tuy nhiên, sợi dễ dàng ghép có tích khoảng cách-băng thông thấp và suy

Hình 2.12 : So sánh đặc tính giữa các loại sợi quang

Hoạt động của bước sóng ảnh hưởng trực tiếp đến mức suy hao của sợi quang SỢI quang: thực tế có mức suy hao thấp ở 1550 nm và suy hao cao ở 780

nm Một thông số khác, băng thông của sợi quang, quyết định tốc độ dữ liệu tối

đa Bảng 2.1 cho thấy các loại suy hao ở 3 bước sóng sợi quang Dữ liệu này phản ánh nhiều mức chỉ tiêu kỹ thuật của mỗi loại sợi quang được cho bởi 1 số nhà sẵn xuất sợi quang

Bang 2.1 : Tén hao sợi quang

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Bảng 2.2 biểu diễn tích khoảng cách-băng thông của các kích cỡ sợi quang phổ biến ở 3 bước sóng cáp quang và bảng 2.3 cho thấy thông số tạp chất của

Bảng 2.3 : Các thông số sợi quang

Hầu hết sợi quang có đặc tính kém hơn ở nhiệt độ thấp do vật liệu cap trổ

nên cứng và đặt sợi quang dưới tác dụng ứng suất Những điều cơ bản khác bao

gồm :

o Sợi có kích thước lõi càng lớn thì giá thành càng đắt

o Sợi có kích thước lõi càng lớn suy hao trên một đơn vị khoảng cách càng cao

o Sợi có kích thước lõi càng lớn có băng thông càng thấp

o Sợi có kích thước lõi càng lớn hơn cho phép sử dụng nguồn sáng giá thành thấp hơn

o Sợi có kích thước lõi càng lớn cho phép sử dụng các thiết bị kết nối

phần chủ yếu : vỏ bọc, số lượng sợi, các phần tử làm cáp vững chắc Kỹ thuật

về cấu trúc vỏ bọc cáp quang bao gồm : loose-tube hoặc tight-buffer Cấu trúc loose-tube sử dụng chủ yếu trong ứng dụng khoảng cách xa và cài đặt cố định,

——

mm."

Trang 18

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

_ cho phép độ suy hao thấp hơn tight-buffer, nhưng những chỗ uốn quá mức có thể làm gãy sợi Cấu trúc loose-tube đóng kín sợi quang bên trong ống đệm plastic được đổ đầy dung dịch water-impeding gel Cáp tight-buffer, một loại nhỏ hơn,

dễ uốn hơn, chống sự va chạm tốt hơn Trong thiết kế loại cáp này vật liệu lớp đệm tiếp xúc với sợi cáp Vì thế mang đến cho sợi cáp sự nguyÊn vẹn cơ khí cao trong kích thước nhỏ, được ứng dụng rất thành công trong không gian hạn chế

Số sợi của cáp (cable”s fiber count) anh hưởng đến việc sử dụng ở hiện tại

và tương lai Nó cho thấy các ứng dụng có thể cả hiện tại và tương lai của khác hàng, mức ghép kênh, số router được sử dụng, và topo vật lý của mạng Số sợi trong cáp quang có phạm vi từ cấu trúc đơn mode đơn giản nhất đến các cáp nhiều sợi phức tạp Phụ thuộc vào ứng dụng, các loại thành phần tăng cường độ bền vững của sợi có thể được thiết kế để cấu trúc cáp, cho phép cáp chịu được sức căng 50 -> 600 pound trong một thời gian dài Vỏ của cáp, hay lớp ngoài cùng của cáp, có thể dùng một số vật liệu phụ thuộc vào các tính chất cơ học cần thiết, suy hao, ứng suất môi trường, tính chịu lửa Bảng 2.4 cho tính chất chung của các vật liệu dùng làm lớp vỏ bọc bên ngoài dây cáp

Nhựa PVC (Polyvinyl

Chloride)

Hypalon Có khả năng chịu đựng trước môi trường khắc nghiệt,

chịu được lửa, nhiệt độ, oxit, O; và phóng xạ

Fluoride) khói ít Sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao

Không phát ra khói thậm chí khi trực tiếp tiếp xúc với Teflon FEP lửa, thích hợp cho nhiệt độ lên đến 250 °C hoặc bên

trong hóa chất Sử dụng cho cáp với yêu cầu VỆ tính chống lửa cao

Tefzel Có nhiệu đặc tính giống như Teflon nhưng nhiệt độ chỉ

| Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

Dây cáp đơn hành bao gồm một sợi cáp ở trung tâm Dây cáp đôi bao gồm 2

sợi cáp có thể thấy như là hình tròn, hình bầu dục hay cáp song hành Hình 2.13 minh họa cáp zIpcord

Buffered Fiber Dielectronic

Strength Member

Outer Jacket

Hình 2.13 : Cấu trúc cáp đôi Zipcord

Các tập hợp cáp phức tạp bao gồm :breakout (fanout) cables, composite cables và hybrid cables Breakout cables chứa sợi quang đơn mode hoặc sợi quang đa mode, cho phép truy cập đến các sợi cáp riêng lẻ mà không cần phải

có các bảng đấu dây Ngành công nghệ cáp không đồng ý về định nghĩa chính

xác composite cables va hybrid cables Vi muc đích cho sự mô tả này, composite cables trộn lẫn giữa cáp đơn và cáp đa, trong khi hybrid cables được

mô tả là một hybrid fiber/coax (HFC) cable mà chứa đựng cả cáp quang và cáp

đồng trục trên một sợi cáp

| Cả hai loại composite cables và hybrid cables đều có những thuận lợi về

việc lắp đặt và giá thành Tuy nhiên những sợi cáp đó cần được những nhà sản

_——

Trang 20

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

xuất ứng dụng theo yêu cầu đặc thù của khách hàng Sự tăng yêu cầu trong đáp ứng cho sự hội tụ của video, audio và cho việc truyền đữ liệu làm cho các loại cáp thật sự thu hút khách hàng Hybrid cables cũng có thể mang tín hiệu điện, ứng dụng rộng rãi trong mạng lưới phát truyền hình cáp (CATV) Hình 2.14 mô

tả dạng của hybrid cables

Dielectric Strength Member

Twisted Pairs Outer Jacket Coated Optical Fiber

Jacket

Hinh 2.14 : Cau tric hybrid fiber/coax (HFC) cable

2.13 Môi trường cáp :

Môi trường cáp mô tả những thông số quan trọng để xây dựng cáp Mức tối thiểu tích cực của môi trường cáp được tìm thấy trong các ứng dụng như computers, hệ thống chuyển mạch telephone, mặc dù các áp lực cao có thể xuất hiện trong những đường cong bán kính nhỏ Với cáp rẻ tiền, thì trong bản thân thiết bị nó cũng có được mức bảo vệ cơ bản Các loại cáp trong văn phòng, trong các tòa nhà sẽ được cài đặt đi dọc theo những căn phòng, dưới nền nhà, giữa các

bức tường hoặc bên trên lỗ thông gió của trần nhà, đều phải có những tiêu

chuẩn an toàn về lửa và điện Tổ chức NEC (National Electrical Code) đưa ra danh sách của 3 loại cáp : OFN (nonconducting optical fiber general purpose cable), OFNR (nonconducting optical fiber riser cable), OFNP (nonconducting optical fiber plenum cable) Cac nha phát hành cáp phải cung cấp các bản thiết

kế cáp tới phòng thí nghiệm kiểm tra để đạt được 1 sự phê chuẩn trong danh sách cáp của họ Cáp bên;tron ' nhà có cấu trúc breakout Màu sắc mã hóa cấp

TRƯỜNG ĐHDL.-KTCN

THU VIEN SGMUNCCL ICG

Trang 21

Những Đặc Điểm Của Sợi Quang

===———_ ——==

ngầm, chia cáp ra thành những dây dẫn độc lập để cung cấp các điểm cuối độc

lập với nhau trong văn phòng Cáp bên trong văn phòng có xu hướng có cấu trúc đơn giản thường là : cáp đơn hành hoặc cáp đôi

Cáp được chôn thẳng cần thêm sự bảo vệ chống lại độ ẩm và nhiệt độ, chúng thường kết hợp với một lớp bọc cứng để bảo vệ cáp tránh khỏi sự hư hỏng của việc đào bới hoặc do các loài gặm nhấm Chất chống thấm (Water- impeding gel) cẩn nước, bảo vệ cáp khỏi độ ẩm, đây là điều cần quan tâm bởi

sự tiếp xúc với độ ẩm sẽ làm thoái hóa đặc tính của cáp quang Nhiệt độ lạnh kết hợp với điều kiện độ ẩm tăng lên sẽ làm cho cáp quang trở nên bị đông cứng, đặt áp lực lên trên sợi quang, tăng độ suy hao của cáp quang

Dây cáp quang được dự tính dùng để thiết kế cho dây anten cũng phải được quan tâm về môi trường xung quanh cáp Việc cài đặt dây anten bao gồm các chuỗi dây cáp từ các tòa nhà đến các điểm ứng dụng Nói chung những loại cáp

đó là các chất điện môi, chúng không chứa kim loại, ngăn chặn việc tiếp đất và cung cấp sự phát quang Trong một sợi cáp anten, thường có các thành phần cách ly sợi quang ra khỏi áp lực đặt lên sợi cáp, lớp vật liệu bọc bên ngoài cho phép chống khỏi tia cực tím từ mặt trời, thêm nữa bảo vệ khỏi nhiệt độ và độ

ẩm Cáp nội thất, ngoại thấp phải được làm bằng những vật liệu đạt được tiêu chuẩn về lửa và điện

Rõ ràng cáp quang có những đặc tính làm cho chúng thích hợp với việc truyền các tín hiệu tương tự, số Nhưng vì yêu cầu về băng thông và dung lượng

dữ liệu tiếp tục tăng, một vài loại cáp khác trong tương lai gần sẽ được chú ý

2.14 Các ưu khuyết điểm và ứng dụng của sợi quang :

2.14.1 Ưu diểm :

Phương pháp truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền dẫn điện Do đó, hiện nay mạng lưới thông tin quang phát triển rất mạnh Vì có các ưu điểm sau đây :

s* Suy hao thấp thuận tiện cho việc truyền dẫn với khoảng cách xa + Dái thông rộng cho phép truyền dẫn với tốc độ cao

+ Hoàn toàn cách điện do đó không bi ảnh hưởng của sấm sét

* Không bị ảnh hưởng của trường điện từ

“ Vật liệu chế tạo rất nhiều

“+ Ít thay đổi đặc tính theo nhiệt độ

+ Ít công kểnh, nhẹ và chịu xoắn cơ khí

> Có tiểm năng kinh tế lớn

_————————

Trang 22

sử dụng cho những trường hợp riêng lẻ

“ Việc nối các cáp quang với nhau đòi hỏi phần cơ khí phải chính xác cao

+ Đường cáp thả biển liên quốc gia

* Đường truyền số liệu

4* Mạng truyền hình

——

Trang 23

truyền bằng sợi quang

Chương này trình bày về các phương pháp truyễn cơ bản của sợi quang và các tín hiệu được xử lý trước khi được truyền đi bên trong sợi quang

Các phương pháp truyền cơ bản : Sợi quang cung cấp một đường truyền có thể truyền một số lượng lớn dữ

liệu Phương pháp truyền quang được lựa chọn giống các phương pháp phát sóng trong không gian hoặc sử dụng dây dẫn kim loại

Phương pháp truyền bằng dây kim loại sử dụng dây cáp đồng, cáp đồng trục

để mang tín hiệu điện đã được điểu chế Phương pháp này cho phép truyền đi một số lượng không giới hạn của các kênh riêng (tùy theo số lượng cáp mà ta có); tuy nhiên, vì những đặc tính vốn có của dây cáp đồng mỗi kênh chỉ có thể mang một lượng thông tin giới hạn

Phương pháp truyền trong không gian miêu tả tín hiệu tí vi truyền qua không gian như thế nào Nó cung cấp một dung lượng băng thông rất lớn cũng như có

thể truyển trên một khoảng cách xa, nhưng phương pháp này không phù hợp với

các kênh riêng Phổ tần số trong không gian bị hạn chế và đắt tiền do chúng

được bán đấu giá bởi tổ chức quản lý Hơn nữa, nó không thể cung cấp hàng

triệu kênh truyền thông tốc độ cao cần thiết của thời đại thông tin toàn cầu

Ống truyền sóng sử dụng một ống dẫn để hạn chế sự bức xạ điện từ và đi chuyển theo những phần đã được thiết lập Phương pháp truyền cáp quang cho phép băng thông và mức đữ liệu cao, nhưng chúng không làm tăng thêm áp lực

cho phổ tần số vốn đã quý hiếm trong không gian

nhiêu đường quét ngang để tạo ra một ảnh video Tín hiệu video bao gồm thông

tin để vẽ những đường đó, những chỉ tiết nơi mà những đường đó nên tối hoặc sáng hoặc thể hiện màu như thế nào Âm thanh cũng được mã hóa trong tín hiệu Có 3 loại kỹ thuật cơ bản cho việc truyền thông tin như là n hiệu video

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

qua cáp quang Điều chế biên độ (AM) bao gồm AM các băng tần cơ bản, AM sóng mang cao tần RF mang, và AM đơn biên cụt Điều chế tần số (FM) bao gồm FM sóng hình sin, FM sóng hình vuông, diéu chế tần số xung (PFM) và FM đơn biên cụt Bảng 3.1 cho sự so sánh giữa 3 loại định dạng này

Ty sé SNR (Signal-to- Thấp-Trung ,

Chỉ tiêu kỹ thuật theo su om y Nhay Chịu được Không đổi

hao

Giá thành máy phát Trung bình-Cao Trung bình ình- Cao

Điều chỉnh độ lợi máy thu phép ne “ne phép ue phép 5

ap Ca 0 phep chin | phép chỉnh phép chinh

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

Hình 23.1 : Các sơ đồ điều chế chung

Trong thảo luận các kỹ thuật điều chế ở phần này, chúng ta sẽ chỉ nói về các hệ thống quang không kết hợp, nói cách khác, có nghĩa là các hệ thống mà trong đó chỉ có sự biến đổi cường độ tín hiệu quang mà không biến đổi tần số của nó Các sơ đồ kết hợp, liên quan với điều chế trực tiếp tần số tín hiệu quang

sẽ được thảo luận ở các phần sau Phổ tân số của tín hiệu AM baseband, không

kết hợp, đơn giản chiếm dải từ DC đến khoảng 5 hay 6 MHz va yéu cầu băng thông ít nhất (khi dùng các kỹ thuật mã hóa số không nén) Phổ điều chế sóng mang RE là tương tự; nó được dịch đến tần số khác 0 (F) Phương pháp này yêu cầu băng thông bổ xung và không có ưu điểm so với hoạt động baseband trong

hệ thống một kênh đơn trên một sợi quang Tuy nhiên nó cho phép ghép nhiều kénh dé truyén trên một sợi đơn

Với điều chế biên độ đơn biên cụt, phổ tần số dịch đến tần số F khác 0 và việc lọc loại bỏ hầu hết dải bên thấp hơn Nó cho phép dùng phổ hiệu quả hơn

so với AM sóng mang cao tan trực tiếp, đòi hỏi chỉ khoảng phân nửa về băng

Trang 26

3.3

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

thông một kênh Sự hiện diện của các hài cho thấy sự khác nhau có thể nhận

thấy được giữa FM sóng hình sin, FM sóng hình vuông và điều chế tần số xung Tín hiệu phổ FM sóng vuông chỉ chứa các hài bậc lẻ Phổ điều chế tần số xung

chứa tất cá các hài bậc lẻ và bậc chẳn, tạo ra các nhóm phổ và ít thích hợp cho việc truyền đa kênh Tuy nhiên, nó vẫn giữ được giá trị của mình như một sơ đồ truyền một kênh đơn FM sóng hình sin, AM sóng mang RF và AM đơn biên cụt

có ít hài hơn, làm cho chúng thích hợp hơn trong việc truyền đa kênh Người ta

có thể kết hợp nhiều kênh để truyền trên một sợi đơn bằng cách ấn định các tần

số sóng mang khác nhau cho mỗi tín hiệu video Phổ hợp thành của các sóng mang được điểu chế là tín hiệu điện composite đơn

Điều chế biên độ (AM) :

Việc điều chế biên độ đơn giản dẫn đến kết quả là các phần cứng rẻ tiền Trong hệ thống AM dải nền tín hiệu ngõ vào trực tiếp điều chế cường độ của dầu ra máy phát Trong kỹ thuật tín hiệu AM sóng mang RF, một sóng mang với tần số cao hơn tần số được thông tin mã hóa thì sẽ thay đối theo biên độ được thông tin mã hóa Trong hệ thống cáp quang, độ lớn của tín hiệu điện áp ngõ vào được chuyển sang cường độ ánh sáng tương ứng Điều chế AM có hai trở

ngại lớn : đầu tiên hệ thống cần thiết bị quang tuyến tính cao để bảo vệ tín hiệu

không bị méo dạng khi truyền qua các tuyến liên lạc Thứ hai là bởi vì sự thay đổi cường độ ánh sáng mã hóa tín hiệu, máy thu không có khả năng phân biệt được mức tín hiệu dự kiến và suy hao vốn có của dây dẫn Ví dụ như : khi cung cấp 100% tín hiệu cực đại cho máy phát với 10 dB suy hao giữa máy phát và máy thu, máy thu chỉ hiển thị cho thấy mức tín hiệu là 10% Hình 3.2 cho hàm

truyền cơ bản của một hệ thống AM

3.4

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

Máy thu không thể nhận biết được sự thay đổi mức tín hiệu và sự thay đổi của độ suy hao trong sợi quang Để bù đắp cho sự suy hao này là một thách thức cho việc truyền tín hiệu AM bằng sợi quang Tuy nhiên, có hai giải pháp : thứ

nhất là lấy những ưu điểm của dạng sóng ngõ vào (ví dụ với video, biên độ xung đồng bộ là không thay đổi và có thể được sử dụng để phân biệt tổn hao quang

với sự thay đổi mức tín hiệu); thứ hai sử dụng kỹ thuật cho phép máy thu nhận biết được mức tín hiệu không phụ thuộc vào tổn hao quang Người ta thực hiện

điều này bằng cách gởi một pilot tone ở tần số cao hơn hoặc thấp hơn tần số thông tin đã mã hóa Nhu cầu thiết bị tuyến tính cao có thể loại bỏ nhiều thuận lợi của AM so với những kỹ thuật khác bởi giá thành đắt do phải đạt được độ tuyến tính cao của LED hoặc Laser Mặc dù khó khăn được nói đến ở trên, hệ

thống AM cung cấp giải pháp đơn giản và rễ tiên để mã hóa thing tin trong viéc truyền bằng cáp quang

Điều chế tần số EM :

EM đo thông tin thời gian của tín hiệu thu được để khôi phục tín hiệu ban

đâu Ngoài ra FM miễn nhiễm với sự thay đổi vé giá trị biên độ gây ra bởi tổn hao quang Điều chế FM dựa trên sóng mang tần số cao Sự khác nhau trong biên độ tín hiệu làm biến đổi tần số sóng mang thay cho biên độ Một ưu điểm khác của hệ thống EM, qua phân tích toán học, chỉ ra rằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở máy thu (tỷ số SNR) có thể được tăng cường bằng cách tăng độ lệch khỏi tần số sóng mang Ví dụ : tín hiệu video được truyền có băng thông 5MHz

Sử dụng tần số sóng mang 70 MHz và đặt vào tín hiệu video để tạo ra tần số lệch 5 MHz Máy thu đạt được độ tăng 5 đB trong tỷ số SNR so với hệ thống

AM Nếu tăng độ lệch của tần số sóng mang lên 10 MHz, thì tỷ số SNR được tăng thêm 15,6 dB Một thuận lợi quan trọng khác, so với AM thì FM giảm nhu

câu về độ tuyến tính của các thiết bị quang

Bình thường hệ thống quang dùng mã hóa EM thích hợp hơn với kỹ thuật

điều chế tần số xung (PEM) Điều này giới hạn tín hiệu EM bằng cách chuyển

nó sang tín hiệu số [0] và [1] trước khi truyền Nói chung bộ điều chế được thiết

kế sao cho tân số xung tăng khi điện áp ngõ vào tăng Hệ thống quang FM hầu như luôn luôn cần nhiều mạch điện phức tạp hơn hệ thống quang AM, nhưng thường giá thành toàn phần là tương đương vì thiết bị quang giá rẻ có thể được

sử dụng trong hệ thống quang FM Hình 3.3 cho thấy đặc tuyến của máy thu FM.

4,75 4,0- Z^

mở Khi bằng [0] nghĩa là đóng và bằng [1] là mỡ Một bit thông tin được giới

hạn bởi hai giá trị đó nhưng sử dụng hai bit thông tin cho phép truyền nhiều

thông tin hơn Ví dụ như : [00] = mở, [01] =đóng, [10] = sáng hơn, [11] = sáng

nhất Càng sử dụng nhiều bit trong một đơn vị thì càng nhiều thông tin được gởi

đi Một nhóm 8 bit được gọi là một byte Một byte gồm 2” hoặc 256 cách thức

khác nhau để biểu diễn các số 1 và 0

Hệ thống số có thể được minh họa bởi dấy xung như trong hình 3.4

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

Each Presence or Absence of Pulse Equals One Bit High State (On)

Low State (Off)

Hình 3.4 : Dãy xung mẩu

Một chuỗi xung biểu điễn mức [1] hoặc [0] của thông tin số Chuỗi xung có thể miêu tả mức điện áp cao và thấp, hoặc có và không của điện áp Để phân biệt xung, người kỹ sư phải xem xét hình dạng của nó

Hình 3.5 cho thấy năm đặc tính cơ bản của một xung Biên độ là chiều cao của xung Thời gian tăng chỉ rõ tổng số thời gian xung phát triển lên và là độ dài thời gian cần thiết để xung đi từ 10% -> 90% biên độ Điều này hiển thị tốc độ

giới hạn trên của hệ thống, đây là một hệ số quang trọng

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

Tốc độ ở đó xung bật và tắt được xác định là tốc độ nhanh nhất mà ở đó xung có thể xảy ra Thời gian giảm, biểu diễn thời gian cần thiết để tắt xung Độ

rộng của xung mô tả, bằng đơn vị thời gian, độ rộng của xung ở 50% biên độ

của chúng Chu kỳ bit là thời gian cân thiết cho xung để hoàn thành một chu kỳ hoàn chỉnh Hầu hết các hệ thống số là clock, xung phải được xảy ra trong thời gian được định sẵn bởi hệ thống cho một chu kỳ bit Clock hệ thống, một chuỗi xung không đổi, cung cấp thời gian để xác định chu kỳ bịt

3.6 So sánh giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu sé :

Tín hiệu tương tự mô tả thế giới mà chúng ta đang sống (ví dụ : nhiệt độ, âm thanh, màu sắc ), biểu diễn một dải liên tục sự khác nhau Âm thanh thay đổi cả

về biên độ và tần số, mắt người có thể cảm nhận được hàng triệu màu giữa vùng trắng và đen Người ta có thể điều chỉnh độ sáng từ hoàn toàn tắt cho đến

hoàn toàn mở Tuy nhiên, không người nào có thể thực sự phân biệt đúng tầm

vô tận của nó, và ở vài điểm hai biên độ xuất hiện đồng nhất

Ngược lại, kỹ thuật số đưa ra những cái rõ ràng hơn Trong hệ thống kỹ

thuật số tất cả các thông tin đều tổn tại trong giá trị số học của các xung số Ví

Các Phương Pháp Truyền Sợi Quang

Ở mức suy hao 0 đB thì kết nối của tín hiệu số và điều chế kết hợp AM có

tỷ số SNR lớn hơn 70 đdB, nhưng ở mức suy hao quang 3 dB, thì tỷ số SNR của

AM giảm xuống thấp hơn tỷ số SNR của FM

Tính hiệu số giữ vững được tỷ số SNR ở khoảng 71 dB từ mức suy hao 0 đến

16 dB rồi sau đó mới bị tụt Trong tổn hao quang thực tế (và điển hình) ở 10 đB,

kết nối EM có ưu thế về tỷ số SNR 13 đB và kết nối số có ưu thế về tỷ số SNR

20 đB so với kết nối AM Độ dốc của AM cho biết tỷ số SNR giảm đi 2 dB khi mức suy hao quang tăng 1 dB Điểu này trái ngược với kết nối số và kết nối FM,

chúng tương bằng phẳng trên dải suy hao có thể sử dụng như trong hình vẽ trên

Ở giới hạn của sự suy hao, thì kết nối số có tỷ số SNR giảm rất nhanh Ngược lại

tỷ số SNR của kết nối FM thì tương đối không đối

Tất cả 3 loại sơ đồ điều chế đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau trong việc truyền tín hiệu bằng sợi quang Loại điều chế được sử dụng tác động đến nhiễu quyết định hệ thống khác, bao gồm việc chọn sợi quang Còn

việc chọn sợi loại nào cho thích hợp thì tùy thuộc vào đặc tính của các loại sợi quang mà ta đã nói trong chương trước

Những Giới Han Của Sợi Quang

CHƯƠNG 4 :

Những giới hạn của sợi quang

Vì mức dữ liệu, khoảng cách truyền, số lượng bước sóng và mức công suất quang tăng lên một mức độ mới, một số ảnh hưởng của dây dẫn phi tuyến trở nên rất quan trọng Trong dây dẫn ngày trước, vấn để trung tâm là độ suy hao

và sự tán xạ Khi chỉ tiêu của sợi quang tăng lên, thì độ tán xạ và các thứ khác

(nhiệt độ ) được hiểu biết ít hơn, những giới hạn đặc trưng của tính phi tuyến dây dẫn gắn với trường chuyển khai mới Vì thế tính phi tuyến cũng quan trọng

như là giới hạn của băng thông, biểu diễn giới hạn kỹ thuật cơ bản trong VIỆC

truyền bằng sợi quang

4.1 Tính phi tuyến của dây dẫn :

Những tính phi tuyến của dây dẫn bao gồm : tấn xa SBS (stimulated

Brillouin scattering), tán xạ SRS (stimulated Raman scattering), FWM (four wave mixing), SPM (self-phase modulation) va XPM (cross-phase modulation)

Tinh phi tuyến của sợi quang được xác định bởi hai yếu tố cơ bản sau :

> Trước tiên, yếu tố quan trọng nhất, xuất phát từ một thực tế là chỉ số khúc xạ của thủy tinh thay đổi theo công suất quang đi qua vật liệu Hình 4.1 cho thấy mối quan hệ giữa chỉ số khúc xạ của silica (SiO2) theo công

suất quang

1,47006 1,47005 ¬

Công suất quang (mW)

Hình 4.1 : Chỉ số khúc xạ của Silica đối với công suất quang

Trang 33

Những Giới Hạn Của Sợi Quang

Cần phải chú ý đến sự thay đổi trong chỉ số khúc xạ dù chỉ là một

lượng nhỏ Tuy nhiên điều thay đổi này có một mức quan trọng trong

hệ thống thực nơi mà chiều dài có thể vượt quá hàng tram Km Chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào công suất của SiO; tăng dần từ SPM, XPM và EWM phi tuyến

> Hiện tượng tán xạ, tập hợp thứ hai của các cơ cấu tạo tính phi tuyến làm

tang SBS va SRS

4.1.1 Tan xa Brillouin cudng bifc (stimulated Brillouin scattering - SBS) :

Cường độ điện trường thay đổi theo thời gian trong sợi tương tác với các mode dao động âm của vật liệu sci, va diéu này làm tán xa ánh sáng tới Hiện

tượng này được biết như tán xạ Brillouin Khi sóng ánh sáng tới cung cấp nguồn cường độ điện trường có cường độ cao thì hiện tượng được biết như SBS Sóng

ánh sáng tới công suất cao làm cho chỉ số khúc xạ của sợi thay đối tuần hoàn,

gây ra phản xạ ngược tương tự hiệu ứng lưới Bragg (Bragg gratings), mot dạng

bộ lọc quang nằm trong sợi quang Khi mức quang ngõ vào tăng quá ngưỡng của SBS, thì kéo theo một mức tăng lớn độ tán xạ ánh sáng, tạo thành mức công

suất giới hạn mà sợi có thể mang Khi mức công suất phát ra tăng trên mức

ngưỡng thì số lượng ánh sáng tán xạ ngược cũng tăng theo Ngưỡng chính xác cho sự đột biến của hiệu ứng SBS phụ thuộc vào một số thông số của hệ thống bao gồm : bước sóng (ngưỡng của bước sóng 1550 nm thấp hơn ngưỡng của bước sóng 1310 nm) và độ rộng đường truyền của máy phát Các giá trị từ +8 ->

+10 đBm là mẫu cho các nguồn quang diéu chế trực tiếp hoạt động ở 1550 nm

trên sợi quang đơn mode chuẩn

SBS áp đặt một giới hạn trên cho mức công suất có thể sử dụng phát đi vào cáp quang Hiệu ứng SBS có một giới hạn công suất quang, khi công suất quang vượt quá ngưỡng SBS, thì một phần tín hiệu quang được truyền sẽ bị gởi ngược trở về máy phát Điều này giới hạn mức công suất quang của máy thu, cũng như

là nguyên nhân gây nên các vấn đề kèm theo với việc phản xạ ngược của tín hiệu quang Quá trình SBS cũng gây ra nhiễu đáng kể bên trong hệ thống, làm giảm chỉ tiêu về tỷ lệ lỗi bit (BER) Các hệ thống phát tốc độ cao, dùng các bộ điều chế bên ngoài và nguồn Laser liên tục, yêu câu sự kiểm soát chính xác

SBS Nó cũng là điều quan trọng mang tính sống còn đối với việc truyền tín hiệu ở bước sóng 1550 nm của CATV, vì những máy phát này thường có những đặc điểm để kích hoạt hiệu ứng SBS

Ngưỡng SBS phụ thuộc mạnh vào độ rộng đường truyền của nguồn quang,

các nguồn có độ rộng đường truyền hẹp có các ngưỡng SBS thấp đáng kể Các laser có độ rộng đường truyền cực kỳ hẹp (ví dụ, nhỏ hơn 10 MHz), thường được

sử dụng trong việc kết hợp với các bộ điều chế ngoài, có thể có các ngưỡng SBS

Trang 34

| Những Giới Hạn Của Sợi Quang

từ +4 đến +6 đBm ở bước sóng 1550 nm Ngưỡng SBS tăng tỷ lệ với sự tăng độ

rộng nguồn quang Việc mở rộng độ rộng phổ hiệu dụng của nguồn quang làm giam SBS

4.1.2 Tan xa Raman cuGng bife (stimulated Raman scattering - SRS) :

SRS có ngưỡng cao (1 W), làm cho nó ít vấn để hơn SBS Nhưng hệ thống thực tế sử dụng EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) có mức công suất quang ngõ ra cao hơn và các công suất này sẽ chỉ tăng lên trong tưởng lai Một liên kết cáp quang bao gồm 3 bộ khuếch đại quang như vậy sẽ đạt đến cái giới hạn này,

vì giới hạn giảm tỉ lệ với số lượng bộ khuếch đại quang mắc nối tiếp SRS có thể gây nên sự tán xạ giống như SBS, nhưng đầu tiên với kênh có bước sóng ngắn hơn bị lấy đi năng lượng và năng lượng đó cung cấp cho kênh có bước

sóng dài hơn Điều này giống với hoạt động của EDFA nơi mà một bước sóng bom 890 nm cung cấp năng lượng được đem di khuếch đại tín hiệu trong vùng bước sóng dài hơn 1550 nm Hình 4.2 cho thấy phổ truyền dẫn tiêu chuẩn của hệ

thống 6 kênh DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing : ghép kénh day theo bước sóng)

Hình 4.2 : Phổ quang học của phát xạ DWDM 6 kênh

| Tất cả 6 bước sóng ở cửa số 1550 nm có biên độ đồng nhất Hình 4.3 mô tả

| các kênh bước sóng ngắn hơn có biên độ nhỏ hơn nhiễu các kênh có bước sóng

dài, đó là hiệu ứng SRS trên hệ thống 6 kênh DWDM

Trang 35

Hình 4.3 : Ảnh hưởng SRS trên phổ quang học truyền dẫn 6 kênh DWDM

4.1.3 Trộn bốn sóng (four wave mixing - FWM) :

FWM thường xay ra trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang tải một số độ dai bước sóng đồng thời (ví dụ, các hệ thống DWDM!) Bi gây ra bởi bản chất phi tuyến của chỉ số tán xạ của sợi quang, hiệu ứng FEWM giống hài bậc ba composite (Composite Triple Beat - CTB), méo được quan sát thấy trong truyền hình cáp (CATV) CTB, giống FWM được phân loại như là hiện tượng méo bậc

ba, cũng được gây ra bởi méo phi tuyến, nhưng ảnh hưởng này thường xay ra trong chuỗi bộ khuếch đại điện tử, hoặc một trong các thành phần quang, thường

là Laser Các cơ cấu méo bậc ba tạo ra các hài bậc ba trong các hệ thống đơn kênh Trong hệ thống đa kênh các cơ cấu bậc ba tạo ra cả các hài bậc ba và

hàng loạt các sản phẩm xuyên chéo, được biết như là các sản phẩm FWM, điều này thường gây ra vấn để vì chúng thường nằm trên đỉnh hoặc gần tín hiệu mong muốn Có hai yếu tố làm ảnh hưởng mạnh đến biên độ của các sản phẩm FWM, được xem như là hiệu quả trộn FWM Yếu tố đầu tiên là khoảng cách kênh, tăng nghiêm trọng hiệu quả trộn lẫn khi khoảng cách hẹp Yếu tố thứ hai

là sự tán xạ của sợi quang, có ảnh hưởng mạnh nhất đến hiệu quả trộn, gần với điểm tán xạ bằng không

4.1.4

4.1.5

Những Giới Hạn Của Sợi Quang

Tư điều chế pha (self-phase modulation - SPM) :

Hình 4.4 trình bày hiệu ứng SPM Giống như FWM, SPM là do sự phụ thuộc

công suất của chỉ số khúc xạ trong lõi sợi quang Nó tương tác với tán xạ màu bên trong sợi quang làm thay đổi tốc độ mà ở đó xung bị nở rộng ra khi nó di

chuyển đọc sợi quang

Red Shift

Được phát xạ

Xung bị nở rộng khi nó truyền trong dây dan

Frequency Chirp

Hình 4.4 : Ảnh hưởng của SPM tới xung

Do sự tăng tán xạ của sợi quang sẽ làm giảm sự ảnh hưởng của FWM, nhưng nó cũng sẽ làm tăng ảnh hưởng SPM Khi một xung quang di chuyển dọc sợi quang, mép trước của xung làm tăng chỉ số khúc xạ của sợi quang, dẫn đến

làm dịch màu blue Tác động của xung cạnh xuống làm giảm chỉ số khúc xạ của

sợi quang gây nên sự dịch màu red Các dịch màu blue và red đưa vào một đột biến tân số nhỏ ( frequency chirp) trên mỗi cạnh, nó tương tắc với tán xạ SỢI quang làm nở rộng xung Điều này lam tang SPM, tuy nhiên có thể được tối

thiểu trong hệ thống kiểm soát tán xạ bởi chiều dài xoay chiều sợi quang tán xạ dương và âm

Điều chế pha chéo (cross-phase modulation - XPM) :

XPM bao gồm 2 xung của ánh sáng, trong khi SPM chỉ cần một xung Trong XPM có hai xung di chuyển dọc sợi quang, mỗi xung thay đổi chỉ số khúc xạ khi

công suất quang thay đổi Nếu hai xung xảy ra chồng lấp thì nó sẽ tạo ra sự méo

Những Giới Hạn Của Sợi Quang

dạng các xung khác qua XPM Việc tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang sẽ

làm giảm XPM và tất cả các tính phi tuyến khác của sợi quang

4.2 Sự tán xạ :

Trong thời gian đầu khi có sợi quang, mọi người déu cho rằng sợi quang có băng thông vô hạn và nó sẽ là giải pháp tốt cho nhu cầu truyền thông của nhân

loại trong tương lai Khi nhu cầu về khoảng cách và băng thông truyền dẫn tăng

lên, các nhà nghiên cứu cáp đã khai thác thêm cửa sổ bước sóng bổ sung để đáp ứng cho nhu cầu này Cửa số thứ ba (third window), gần bước sóng 1550 nm, xuất hiện như một câu trả lời Với độ suy hao chi 0,2 dB/km, nó dường như thich hợp cho bất cứ nhu câu nào có thể tưởng tượng ra được Cuối cùng, hàng triệu

km cáp quang được lắp đặt trên toàn thế giới tạo nên một mạng lưới truyền thông tốc độ cao Tuy nhiên khi tốc dộ dữ liệu và chiều dài sợi cáp tăng, các giới hạn do sự tán xạ trở thành điều không thể tránh khỏi

Bất kỳ người nào từng chấp nhận các vấn để khó khăn về mặt kỹ thuật đều hiểu rõ về việc thỏa hiệp Việc tăng lên của tốc độ dữ liệu và chiều dài đường truyền được sử dụng để nêu lên những đặc tính quan trọng mới của sợi quang Với loại sợi quang đầu tiên, loại sợi quang đa mode có chiết suất nhảy nấc, gặp

phải một vấn để lớn về sự tán xạ, sợi quang đa mode có chiết suất gradient đã khắc phục được ít nhiễu về sự tán xạ, nhưng đối với sợi đơn mode thì sự tán xạ

đã bị loại trừ hoàn toàn Ngoài ra các kỹ sư thiết kế còn phải chiến thắng sự tán

xạ màu sắc (chromatic dispersion) và kiểu tán xạ phân cực PMD (polarization mode dispersion) Hinh 4.5 cho thấy phương thức tán xạ của loại sợi đa mode có chiết suất nhầy nấc, sợi đa mode có chiết suất gradient và sợi đơn mode

Sợi quang đa mode chiết suất nhảy nấc

Modal

Retracive f! | AMARANRA Index AKA Low-order `

Trang 38