Bài giảng cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang - chu công cẩn,

Hệ thống thông tin quang được xây dựng và phát triển trên cơ sở của các công nghệ hiện đại và tiên tiến đó là: Công nghệ quang lượng tử, công nghệ truyền dẫn ánh sáng và công nghệ điện t

Bμi gi¶ng

tin ngày càng phát triển Các dịch vụ thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, chúng hết sức đa dạng về tốc độ cũng như dung lượng, từ các dịch vụ thông tin băng tần hẹp như Telex, Fax, thoại… đến các dịch vụ thông tin băng tần rộng như thoại hình, truyền hình…Với nhu cầu này, các hệ thống thông tin cần phải có tốc độ và dung lượng cao để sẵn sàng đáp ứng mọi nhu cầu dịch vụ mà vẫn bảo đảm chất lượng theo yêu cầu Đây là vấn đề hết sức khó khăn đối với các hệ thống thông tin sử dụng cáp kim loại và các hệ thống thông tin vô tuyến Hệ thống thông tin quang ra đời đã giải quyết được các vấn đề trên và nó đã thể hiện được tính ưu việt hơn hẳn so với các hệ thống truyền dẫn khác

Hệ thống thông tin quang được xây dựng và phát triển trên cơ sở của các công nghệ hiện đại và tiên tiến đó là: Công nghệ quang lượng tử, công nghệ truyền dẫn ánh sáng và công nghệ điện tử ‐ tin học Các hệ thống thông tin sợi quang đã thể hiện được những ưu điểm vượt trội trên các mặt: Có dung lượng và tốc độ truyền dẫn cao, suy hao hệ thống nhỏ,

cự ly thông tin xa, chất lượng thông tin cao, tính bảo mật thông tin tốt, kích thước hệ thống nhỏ, cấu hình hệ thống linh hoạt… Hiện tại cũng như trong tương lai, hệ thống thông tin quang sẽ dần dần thay thế các hệ thống truyền dẫn cáp kim loại Do vậy, việc nghiên cứu và nắm bắt hệ thống thông tin quang là vấn đề rất quan trọng và hết sức cần thiết

Các phần tử cơ bản cấu thành hệ thống thông tin quang bao gồm các nguồn quang, sợi quang, bộ tách sóng quang và các phần tử đấu nối Việc nghiên cứu các phần tử phải được phân tích và đánh giá một cách

đầy đủ từ cấu trúc, các thông số đặc tính đến khả năng ứng dụng của chúng trên hệ thống thông tin quang Các vấn đề nêu trên chính là cơ sở

Mặc dù đã hết sức cố gắng nh−ng cuốn sách không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình biên soạn, tác giả rất mong nhận

đ−ợc sự đóng góp ý kiến phê bình của các đồng nghiệp và bạn đọc để có thể hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về hộp th−:

chucongcan@fpt.vn hoặc Bộ môn Kỹ thuật thông tin – P.706‐A7‐ Đại

học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội

Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2007

Tác giả

Chương 1

Tổng quan về hệ thống thông tin quang

1.1 Khái quát chung

Từ xa xưa, một trong những điều quan tâm chủ yếu trong cuộc sống của loài người là tìm ra các hệ thống thông tin để gửi đi các bản tin từ nơi này đến nơi khác Bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng gồm các

phần tử cơ bản như trên hình vẽ 1‐1

Hình 1‐1: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin

Các phần tử này cũng bao gồm cả nơi đầu tiên của nguồn tin là nơi

đưa một bản tin tới máy phát Máy phát tập hợp các bản tin trong kênh truyền dẫn ở cùng một dạng tín hiệu và sắp xếp theo đặc tính của kênh Kênh truyền dẫn là cầu nối khoảng cách trung gian giữa máy phát và máy thu, nó có thể là các đường truyền dẫn như cáp kim loại, ống dẫn sóng, hoặc truyền dẫn trong không khí Khi tín hiệu lan truyền trong kênh truyền dẫn nó có thể bị ảnh hưởng tới hai mặt đó là bị suy giảm và

bị biến dạng tín hiệu theo sự tăng của khoảng cách truyền lan Chức năng của máy thu là thu nhận tín hiệu đã bị suy yếu và méo dạng từ kênh truyền dẫn, khuếch đại chúng và hồi phục chúng trở lại nguyên dạng

giống như trước khi chúng được chuyển đến nơi nhận tin

1.1.1 Các hình thức của các hệ thống thông tin

Trong lịch sử thông tin có rất nhiều các hệ thống thông tin xuất hiện

Sự thúc đẩy chủ yếu sau mỗi một dạng mới là cải tiến cách thức truyền

6 Optical Fiber Communication

dẫn cũ nhằm tăng số lượng đường kênh, tốc độ số liệu để có thể gửi đi

được nhiều bản tin hơn nữa hoặc là tăng cự ly giữa các trạm chuyển tiếp

Trước thế kỷ 19 tất cả các hệ thống thông tin đều có tốc độ chậm và chủ yếu là âm thanh và quang học như dùng tù và, trống, kèn và đèn tín hiệu Một trong những đường truyền dẫn quang sớm nhất được người ta biết tới đó là lửa của người Hy lạp sử dụng vào thế kỷ thứ 8 trước công nguyên để gửi đi các tín hiệu báo động gọi nhau khi cần cấp cứu hoặc thông báo về các sự kiện xảy ra, ở đây duy nhất chỉ có một kiểu tín hiệu Trong thế kỷ thứ 4 trước công nguyên, thông tin được truyền qua các

Thoại Dữ liệu Video Tia Laser

Mobile Radio

Hàng không, Mobile

VHF TV & FM Thương mại Radio nghiệp dư

Quốc tế

AM phát thanh Hàng không, Cáp ngầm, Hàng hải, Vô

Viba

Vô tuyến sóng ngắn

Vô tuyến

sóng dài

Hình 1‐2: Các ví dụ ứng dụng hệ thống thông tin liên lạc

trong phổ điện từ.

trạm chuyển tiếp và vào khoảng năm 150 trước công nguyên các tín quang này được mã hoá trong sự giao tiếp theo một quy luật nhất định để bất kỳ một bản tin nào cũng có thể được gửi đi Song sự tiến triển của các hệ thống thông tin này là không tích cực vì có sự hạn chế về công nghệ do máy thu tin là mắt người đòi hỏi hướng nhìn theo đường thẳng

và do tác động của khí quyển như mưa, mây mù, sương làm cho đường truyền không đáng tin cậy Vì vậy khi này người ta chuyển sang hình thức thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn là gửi tin bằng hình thức qua người đưa thư trên các con đường

1MHz 1GHz

Lam

4.3

700 Bước sóng, m

Bước sóng, nm

b)

Hình 1‐3: Phổ điện từ a) Phân bố tần số và bước sóng; b) Phần nhìn thấy của phổ điện

từ.

8 Optical Fiber Communication

Sự phát minh ra máy diện báo do Samuel F.B More vào năm 1838 đã báo hiệu một kỷ nguyên thông tin mới đó là kỷ nguyên của thông tin

điện Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên được sử dụng dây kim loại

được thực hiện vào năm 1844 và sau đó nó được phát triển nhanh chóng

và rộng rãi trên khắp thế giới Việc sử dụng cáp kim loại trong truyền dẫn tin được mở rộng cùng với sự lắp đặt tổng đài điện thoại đầu tiên ở New Haven, Conecticut năm 1878

Năm 1887 Henrich Hertz phát minh ra sự bức xạ sóng điện từ ở bước sóng dài và vấn đề này được chứng minh về Radio của Guylielmo Marconi năm 1895 Trong những năm sau đó phổ của sóng điện từ được lợi dụng để truyền đạt tin tức từ nơi này đến nơi khác, tin tức số liệu

được truyền trên các kênh thông tin bằng cách xếp chồng các tín hiệu trong một bộ phận làm biến đổi sóng điện từ và nó được biết như là sóng mang Tại nơi nhận thì tin tức được tách khỏi sóng mang và chế biến theo yêu cầu Việc tăng tần số sóng mang trong băng tần truyền dẫn sẵn

có làm tăng khả năng thông tin lớn hơn Vì vậy khuynh hướng phát triển của các hệ thống thông tin điện là dùng các tần số cao hơn và tăng dần (tương đương với dùng sóng ngắn hơn) tạo ra tăng các giao tiếp trong băng tần Khả năng thông tin được nâng lên, đây là bước ngoặt dẫn đến

sự ra đời của TV, radar và các đường vi ba

Phần phổ của sóng điện từ được dùng trong thông tin điện được trình bày như hình vẽ 1‐2 Tần số trong phạm vi ứng dụng từ khoảng 300Hz trong băng âm tần đến khoảng 90GHz trong băng sóng milimeter Môi trường truyền dẫn sử dụng trong phổ bao gồm ống dẫn sóng, dây kim loại và không gian Các hệ thống thông tin dùng các đường truyền này là tập hợp các máy điện thoại, máy phát thanh AM, FM, truyền hình (television), băng sóng radio của dân nghiệp dư CB (citizen's band radio), radar, các đường vệ tinh (Satellite links)

Một phần quan trọng khác của phổ sóng điện từ bao quanh miền quang học, trong miền này theo lệ thường người ta dùng ký hiệu bước sóng để thay thế cho tần số Phổ quang học được sắp xếp từ khoảng 50nm (miền cực tím) đến khoảng 100 mm (miền hồng ngoại), trong đó

phổ ánh sáng nhìn thấy (bằng mắt người) từ 400 đến 700 nm Người ta

đã sử dụng một số vùng bước sóng trong phổ quang học cho một hệ

thống thông tin sợi quang

1.1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang

Từ xa xưa con người đã biết dùng ánh sáng để thông tin cho nhau trong chiến tranh cũng như trong đời sống (như đốt lửa làm hiệu,

đèn hải đăng ) nhưng lúc đó khái niệm thông tin quang vẫn chưa hình thành

Năm 1880 Alexander Graham Bell phát minh ra Photophone

Ông đã truyền tiếng nói trên một chùm sáng bằng cách hội tụ một chùm sáng hẹp vào một cái gương mỏng Khi sóng âm tác động làm cho gương chuyển động làm biến đổi tương ứng năng lượng quang từ gương truyền tới bộ tách quang Selen do đó làm thay đổi điện trở của nó và vì vậy cường độ dòng điện trong ống nghe thay đổi để thu được tiếng nói Bell

đã sử dụng phát minh của mình để truyền tín hiệu tiếng nói trên 700 feet chiều dài Tuy vậy cho đến những năm 1950 thông tin quang vẫn còn nằm trong khái niệm Năm 1950, B.O’Brian lần đầu tiên đã sử dụng các

bó sợi quang để truyền hình ảnh nhưng sợi quang có suy hao lớn nên không sử dụng được trong thực tế Đến giữa năm 1960 tổn hao sợi vẫn còn ở khoảng 1000 dB/km

Năm 1960 ra đời Laser hồng ngọc và tiếp theo là sự ra đời của Laser bán dẫn năm 1962 và các hệ thống thông tin quang đầu tiên ra đời với môi trường truyền dẫn là không khí Do các tham số truyền dẫn của môi trường thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không

ổn định và bị gián đoạn không thể chấp nhận được

Năm 1966, tại Standard Telecommunications Laboratories (nước Anh) những nhà nghiên cứu cho rằng có thể giảm tổn hao sợi xuống còn 20dB/km và sử dụng được để truyền dẫn thông tin bằng cách khử tạp chất trong thủy tinh Năm 1970, Mauner, D.B.Keck và Schultz tại Corning Glass Works đã chế tạo thành công những sợi quang đầu tiên có

10 Optical Fiber Communication

suy hao nhỏ hơn 20 dB/km và cuộc cách mạng công nghệ sợi quang bắt

đầu

Năm 1970 các hệ thống thông tin sợi quang xuất hiện chủ yếu dùng cho quân đội Đến năm 1977 hệ thống Bell Laboratories Lighguide

được lắp đặt tại Chicago dùng để cung cấp dịch vụ thoại, số liệu analog,

số liệu digital, điện thoại hình và dịch vụ Video 4 MHz cho khách hàng tại Chicago’s Brunsnich Building Cũng năm 1977, NTT đã công bố sản xuất được loại sợi có tiêu hao 0.5 dB/km tại bước sóng l = 1200nm

Năm 1978 xuất hiện sợi chiết suất biến đổi có tiêu hao 3 á 5 dB/km sử dụng cho cả quân sự lẫn dân sự và bắt đầu xây dựng những tiêu chuẩn cho các hệ thống này của các khối SAE, NATO, EFA Năm

1980 và 1982 các hệ thống thông tin đường trục 45 Mbit/s và 90 Mbit/s

sử dụng sợi quang đã được lắp dặt

Năm 1983 AT&T đã chế tạo thành công sợi đơn mode

Năm 1985 sản xuất được sợi quang công tác tại bước sóng l= 1550nm và dung lượng hệ thống năm 1986 đã bắt đầu tăng đến 560 Mbit/s, cũng năm 1986 ra đời hệ thống 1.2 á 2.4 Gbit/s

Năm 1985 tại các thành phố Dallas và Newyork đã lắp đặt hệ thống siêu đường trục gồm 8 kênh video/1sợi và năm 1987 là 16 kênh video/1sợi

Mãi đến năm 1989 các hệ thống vẫn dựa trên cơ sở ghép kênh không

đồng bộ, chủ yếu dựa vào các chuẩn giao tiếp DS‐1 và DS‐3, chưa có chuẩn giao tiếp mạng

Năm 1988 xuất hiện các chuẩn giao tiếp mạng quang đồng bộ gọi tắt

là SONET, cùng trong năm này xuất hiện tiêu chuẩn của mạng nội bộ LAN

Cuộc cách mạng thời cận đại của thông tin sợi quang chủ yếu tập trung vào truyền dẫn kết hợp cho phép mang các sóng quang đã điều chế giống như sóng vô tuyến với tốc độ số liệu lên tới trên 10 Gbit/s

Thế hệ đầu tiên công tác ở bước sóng 800 nm sử dụng nguồn quang cơ bản là GaAs, bộ thu là silicon diode, và dùng sợi quang đa mode Tốc

độ truyền dẫn của thế hệ thứ nhất là 45 Mbit/s và 90 Mbit/s ở Mỹ, 34 Mbit/s và 140 Mbit/s ở Châu âu, 32 Mbit/s và 100 Mbit/s ở Nhật với khoảng lặp là 10 Km

Thế hệ thứ hai sử dụng bước sóng 1300 nm cho phép tăng thực sự khoảng lặp trên các tuyến đường dài với việc dùng duy nhất sợi quang

đơn mode có tiêu hao thấp và điều quan trọng là băng tần truyền dẫn rộng hơn Tốc độ bit với cự ly dài là từ 400 Mbit/s đến 600 Mbit/s và có thể tới 4Gbit/s trên cự ly trạm lặp 40 Km Đường cáp quang thả biển đầu tiên gọi là TAT ‐ 8 hoạt động năm 1988 công tác ở bước sóng 1300 nm, tốc độ bit 296 Mbit/s, dùng sợi đơn mode Trong mạng nội hạt, mạng vùng cả hai loại sợi đơn mode và đa mode đều được dùng ở bước sóng

1300 nm với tốc độ từ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s trên khoảng cách thay

đổi từ 500m đến 10 Km

Thế hệ thứ ba và thứ tư hoạt động ở bước sóng 1550 nm cho phép tiêu hao trên tuyến là nhỏ nhất Các thế hệ này đã lôi cuốn nhiều sự chú

ý đối với các tuyến truyền dẫn tốc độ cao trên đất liền và dưới biển Cả hai loại điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp đều được xem xét ở bước sóng 1550 nm Sự điều chế kết hợp cống hiến cho chúng ta những tiến

bộ quan trọng trong các máy thu có độ nhạy cao và nó cho phép sử dụng cân bằng điện để đền bù cho các tác động của việc truyền năng lượng quang trong sợi quang

Mặc dù có sự tăng trưởng nhanh chóng và thành công trong các ứng dụng nhưng công nghệ sóng ánh sáng vẫn không dừng lại Xa hơn là các

hệ thống thông tin mà ở đó tất cả đều dùng các thiết bị quang bao gồm chuyển mạch quang, trạm lặp quang và các đơn vị tiếp cận mạng Các ứng dụng bao gồm cả mạng cục bộ (LAN), các mạch vòng thuê bao, các mạng phân phối truyền hình Thêm nữa có sự nghiên cứu sợi quang phi tuyến để loại bỏ các tác động làm rối loạn ánh sáng làm tăng khoảng cách các trạm lặp từ hàng trăm Km tới hàng ngàn Km

12 Optical Fiber Communication

1.2 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang

1.2.1 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang

Một hệ thống truyền dẫn quang được tổ chức như hình vẽ 1‐4

Hình 1‐4: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang

Từ hệ thống tổng quát ta có một số nhận xét sau:

1 Nguồn tin: Cũng như các hệ thống thông tin điện nguồn tin là các

dạng thông tin thông thường như tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản,

âm thanh

2 Phần điện tử: Để xử lý nguồn tin, tạo ra các tín hiệu điện phù hợp

với các kênh truyền đưa vào hệ thống truyền dẫn Các tín hiệu điện này

có thể là tín hiệu tương tự (analog) hoặc các tín hiệu số (digital)

3 Bộ biến đổi điện quang (E/O): Thực hiện việc biến đổi tín hiệu

điện thành tín hiệu quang để phát đi Trong hệ thống thông tin quang cũng có những phương thức điều biến khác nhau Các hệ thống hiện

đang sử dụng trên mạng sử dụng phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu

điện vào cường độ bức xạ quang Còn các hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherence) trong tương lai sẽ sử dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ kết hợp

4 Sợi quang (OF): Là môi trường truyền dẫn tín hiệu quang, cũng

như các môi trường truyền dẫn khác nó phải thoả mãn các yêu cầu như suy hao tín hiệu phải bé, méo tín hiệu phải nhỏ, băng thông phải rộng

5 Bộ biến đổi quang điện (O/E): Là bộ thu quang, đón nhận tín hiệu

quang thu được từ sợi quang và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện đưa vào phần điện tử để biến đổi thành nguồn tin ban đầu

6 Tải tin: Tải tin trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng, nó

cũng là sóng điện từ nhưng có tần số rất cao từ 10 14 đến 10 15 Hz do vậy rất thuận lợi cho việc truyền tải các tín hiệu băng rộng

7 Về chuyển tiếp tín hiệu: Trên đường truyền các tín hiệu quang bị

suy giảm do đó sau một khoảng cách nhất định phải đặt trạm lặp để chuyển tiếp tín hiệu Hiện tại chưa thực hiện được khuếch đại tín hiệu quang nên tai các trạm lặp phải thực hiện theo các bước cơ bản sau:

‐ Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

‐ Khôi phục, sửa dạng tín hiệu điện

‐ Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi

8 Khả năng truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của bất kỳ một hệ

thống thông tin nào cũng đều được đánh giá bằng hai đại lượng sau:

‐ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được

‐ Cự ly trạm lặp

Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên Xu hướng các hệ thống quang là ngày càng truyền dẫn với dải rộng và cự ly khoảng lặp ngày càng rất lớn Hai đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố như:

‐ Tiêu hao và tán xạ của sợi dẫn quang

‐ Công suất bức xạ, độ rộng phổ và tốc độ điều biến của nguồn quang

‐ Độ nhạy, nhiễu nội bộ của máy thu quang

‐ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến thông tin

quang

1.2.2 Các phần tử cơ bản của tuyến truyền dẫn quang

Để nhìn nhận một cách đầy đủ về hệ thống thông tin sợi quang ta xem xét các phần tử cơ bản nhất có trên một tuyến truyền dẫn cáp quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang bao gồm các phần tử cơ bản như trên hình vẽ 1‐5

‐ Máy phát quang (Transmiter): bao gồm nguồn quang (Light source) và mạch điều khiển (Drive circuit)

14 Optical Fiber Communication

‐ Cáp quang

‐ Máy thu quang bao gồm: bộ thu quang (Photo‐detector), Bộ khuyết

đại (Amplifer), bộ khôi phục tín hiệu (Signal restorer)

‐ Trạm lặp (Repeater): bao gồm bộ thu quang (optical receiver), bộ

điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang (optical transmitter)

‐ Các phần tử phụ: Các bộ nối (connector), mối nối (Splice), các bộ tách ghép luồng quang (Optical coupler or beam splitter)

Tất cả các phần tử cơ bản trên sẽ đ−ợc xem xét, thảo luận cụ thể

trong các phần sau

Hình 1‐5: Các phân tử cơ bản của hệ thống thông tin quang

1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Sự trưởng thành và các khả năng rộng lớn của các hệ thống thông tin cáp quang là sự tập hợp các công nghệ tân tiến và hiện đại như:

Các công nghệ bán dẫn, nó cung cấp cho hệ thống các nguồn quang cần thiết với cường độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi trường Các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp

Công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi trường truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hưởng can nhiễu, băng thông rộng

Kết quả là một đường nối truyền dẫn tin có các ưu điểm vượt trội so với các hệ thống thông tin điện, đặc biệt so với hệ thống thông tin truyền

dẫn bằng cáp kim loại Các ưu điểm đó bao gồm các vấn đề sau:

1 Tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng:

Sợi quang có các tiêu hao truyền dẫn thấp hơn và băng tần truyền dẫn rộng hơn so với cáp đồng Điều này có nghĩa là hệ thống cáp quang

có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn do vậy làm giảm

số lượng sợi và giảm số lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợp thành, giảm giá thành và sự phức tạp của hệ thống

2 Trọng lượng và kích thước nhỏ:

Trọng lượng và kích thước nhỏ của sợi quang đưa ra những thuận lợi rất lớn so với hệ thống cáp kim loại nặng nề, cồng kềnh đặc biệt các tuyến cáp đi trong cống ngầm trong thành phố đông đúc Điều này cũng rất quan trọng trong công nghệ máy bay, vệ tinh và tàu bè, nơi mà cáp nhẹ, nhỏ có nhiều thuận lợi Đồng thời đặc tính này có ứng dụng trong chiến thuật quân sự, nơi mà số lượng lớn của cáp phải khôi phục một

cách nhanh chóng

3 Sự miễn nhiễu ngoài:

16 Optical Fiber Communication

Một đặc tính quan trọng đặc biệt của cáp quang có liên quan tới tính cách điện tự nhiên của chúng Điều này làm cho cáp quang có tính miễn nhiễu điện từ từ bên ngoài (EMI), như vậy sự cảm ứng từ ngoài vào do các sóng điện từ trên các sợi kim loại và do sấm sét là không có Đồng

thời tín hiệu truyền trên cáp quang cũng không gây nhiễu ra ngoài

4 Tính cách điện:

Do sợi cáp quang được chế tạo từ thủy tinh là chất điện môi nên không phải lo lắng về sự sự chạm đất, chạm chập nhau giữa các sợi, xuyên âm rất thấp, và các vấn đề về thiết bị giao tiếp là đơn giản Cáp quang không nên đánh lửa điều này cũng làm lôi cuốn việc sử dụng cáp

quang để không gây nguy hiểm cho môi trường

5 An toàn cho tín hiệu:

Bằng việc dùng cáp quang, một mức độ cao của số liệu có thể cáng

đáng được, ở đó tín hiệu quang được tiếp xúc tốt với môi trường dẫn sóng Do vỏ bọc sợi quang là không thấu quang nên khó tiếp xúc được với tín hiệu truyền lan trong sợi Điều này làm lôi cuốn dùng cáp quang trong các ứng dụng mà ở đó tin tức quan trọng được bảo đảm như là ở

nhà băng, mạng máy tính và ở hệ thống quân sự

6 Sự phong phú về nguyên liệu:

Silic là vật liệu chủ yếu để chế tạo cáp quang, nguyên liệu này rất phong phú và rẻ, có thể tìm thấy nó ở các bãi cát thường Chi phí trong việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ yếu trong quá trình chế tạo thủy tinh cực sạch từ vật liệu thô Cũng chính từ sự phong phú về nguyên liệu

mà gía thành của cáp thấp dẫn tới giá thành của hệ thống cũng giảm theo, nhất là đối với các tuyến thông tin đường dài mà ở đó giá thành của

hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào cáp

Với tất cả các ưu điểm cố hữu của các hệ thống thông tin sợi quang,

mà hiện nay các hệ thống này đã phát triển không ngừng và rộng rãi khắp trên thế giới Chỉ hơn hai thập kỷ qua đã có hàng hơn chục triệu

Km cáp quang được xây dựng ở trên thế giới với các đường cáp xuyên

đại dương, xuyên lục địa và xuyên quốc gia có tốc độ cực cao và dung

lượng cực lớn Tại Việt nam các hệ thống các quang cũng phát triển không ngừng hàng chục ngàn Km cáp quang đã, đang xây dựng đặc biệt trong đó có tuyến cáp quang đường trục Bắc ‐Nam với tốc độ 2Gbit/s sử dụng kỹ thuật truyền dẫn SDH (Synchronous Digital Hierarchy) và tuyến thông tin quang biển T ‐V ‐H (Thái lan ‐ Việt nam ‐ Hồng công), tuyến SeaMeWe‐3 góp phần hiện đại hoá ngành Viễn thông Việt Nam đáp ứng

được nhu cầu thông tin liên lạc trong nước và quốc tế, hoà nhập với mạng viễn thông của các nước trong khu vực và mạng viễn thông trên

Các hệ thống thông tin quang có thể được phân chia theo một số các

tiêu chuẩn khác nhau

1.4.1.1 Phân theo dạng tín hiệu điện

Tuỳ theo tín hiệu điện được đưa vào điều biến với nguồn quang là tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (Digital) mà ta có hệ thống thông tin quang tương tự hay hệ thống thông tin quang số

Với các hệ thống truyền dẫn quang tương tự ít được sử dụng và thiết

kế để truyền dẫn băng tần tín hiệu rất rộng với nhiều nguyên nhân sau:

‐ Đặc tính không tuyến tính của các nguồn quang và phần tử thu quang

‐ Đặc tính tán xạ của sợi quang

Với các hệ thống thông tin quang số hiện nay được sử dụng phổ biến thực hiện truyền dẫn các tín hiệu số dưới dạng ghép kênh cơ sở điều chế

18 Optical Fiber Communication

xung mã PCM theo các tiêu chuẩn ghép kênh cận đồng bộ PDH (Pleisynchronous Digital Hierarchy) và tiêu chuẩn ghép kênh đồng bộ số

SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

1.4.1.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều tín hiệu quang

Dựa trên các nguyên lý điều biến nguồn quang ở máy phát (Transmitter) và nguyên lý tách quang tại máy thu (Receiver), người ta

chia làm hai loại hệ thống thông tin quang

1 Hệ thống điều chế cường độ trực tiếp

Hệ thống này thực hiện điều biến trực tiếp tín hiệu điện vào cường

độ bức xạ của nguồn quang Tại đầu thu tách ra tín hiệu điện trực tiếp trên các phần tử thu quang từ công suất quang thu được từ sợi đưa vào

Hệ thống điều chế cường độ trực tiếp phục vụ rộng rãi trong mạng viễn thông từ những năm 1978, đầu tiên được truyền trên các sợi đa mode với tốc độ thấp, sau đó do nhu cầu cần phải tăng tốc độ truyền dẫn và kéo dài cự ly khoảng lặp cho nên tiến tới sử dụng sợi quang đơn mode Tuy nhiên các hệ thống sử dụng sợi đa modevẫn có hiệu lực tốt trong các tuyến nội hạt có cự ly khoảng lặp nhỏ Những hệ thống truyền dẫn với tốc độ cực cao thì chúng bị hạn chế cả về độ nhạy, độ rộng băng tần, và

cự ly khoảng lặp Hiện nay hầu hết các hệ thống đang sử dụng trên mạng

lưới viễn thông đều sử dụng nguyên lý này

2 Hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent)

Nguyên lý này sử dụng việc điều biến gián tiếp nguồn quang tại đầu phát: luồng tín hiệu điện và luồng ánh sáng đơn sắc được đưa vào điều biến trong bộ điều biến quang Tại đầu thu cũng cần có một nguồn quang đơn sắc hoàn toàn độc lập với nguồn quang tại đầu phát Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang cùng với luồng quang đơn sắc của

bộ phát quang đưa vào bộ trộn là một diode quang để đưa ra một tần số trung gian sau đó đưa đến mạch tách sóng quang để lấy ra tín hiệu điện ban đầu

Tín hiệu điện cần phát được điều biến với nguồn phát quang có bước sóng l 1 tương ứng với tần số quang f 1 , ở đây phương thức điều biến có thể là phương thức điều biến biên độ, điều biến tần số hay điều biến pha Tại đầu thu có bộ phát quang nội bức xạ ra ánh sáng có bước sóng l 0 tương ứng với tần số quang nội f 0 Cả hai tín hiệu, tín hiệu thu f 1 và tín hiệu quang nội f 0 được đưa vào bộ trộn là một diode thu quang để lấy ra một tần số trung gian ờf 1 ‐ f 0 ờ Tần số trung gian cần lớn khoảng 10GHz

để đủ tải mang một tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn, song cũng không được quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại của mạch

điện tử Để thu được các tải tần phát khác nhau thì tần số quang nội f 0 có thể điều chỉnh được để giữ cho tần số trung gian không đổi Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu được tín hiệu điện ban đầu Nguyên lý này

gọi là nguyên lý thu ngoại sai Heterodyl

Hình 1‐6: Nguyên lý điều biến gián tiếp nguồn quang

Trường hợp f 1 = f 0 khi này tần số trung gian bằng không và ở đầu ra

có ngay tín hiệu điều biến ban đầu nguyên lý này gọi là nguyên lý thu Homodyl Xét về độ ổn định thì nguyên lý thu Homodyl thuận lợi hơn thu Heterodyl, người ta có thể truyền tín hiệu f 1 chưa điều biến trên một sợi quang riêng biệt để làm tần số quang nội do vậy bảo đảm f 1 = f 0

So với phương pháp điều chế trực tiếp thì nguyên lý thu Coherent cho phép tăng đáng kể cự ly khoảng lặp và đạt được giới hạn tối đa băng tần truyền dẫn của sợi quang Tuy nhiên việc thiết kế chế tạo các thiết bị

của hệ thống là vô cùng phức tạp

1.4.1.3 Phân theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

Khi này chủ yếu đề cập tới hệ thống thông tin quang đường dài Các

hệ thống thông tin quang đường dài chủ yếu được sử dụng trên mạng viễn thông gồm các mạng kết nối truyền dẫn giữa các vùng, mạng trung

20 Optical Fiber Communication

kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và cả mạng phân phối truyền hình Mục đích của việc nghiên cứu thiết kế chế tạo của các hệ thống truyền dẫn cáp quang là tạo ra các hệ thống có dung lượng lớn, tốc độ truyền dẫn cao, khoảng lặp xa

Trong các hệ thống đường dài của cáp quang thì cáp quang là phần

tử quyết định giá cả Để tăng cự ly khoảng lặp, giảm các thiết bị trung gian thì cần có cáp có tiêu hao nhỏ, các phần tử thu và phát quang có công suất phát lớn, độ nhạy cao và các bộ nối đắt tiền Người ta phân chia một cách tương đối như sau:

1 Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ và trung bình, tốc độ thấp

2 Mbit/s, 8 Mbit/s, 34 Mbit/s được sử dụng trên mạng thuê bao và mạng trung kế giữa các tổng đài với cự ly truyền dẫn ngắn vài Km trong mạng thành phố và từ 20 đến 30 Km ở mạng nông thôn không có khoảng lặp

2 Hệ thống có dung lượng lớn với tốc độ truyền dẫn 140 Mbit/s sử dụng trên mạng trung kế giữa các tổng đài có cự ly truyền dẫn từ 10 đến

30 Km không có trạm lặp

3 Các hệ thống liên tỉnh với dung lượng rất lớn tốc độ từ 140 Mbit/s trở lên, cự ly truyền dẫn rất xa Hệ thống gồm các trạm đầu cuối, trạm lặp có cự ly khoảng lặp từ 50 đến 100 Km

4 Các hệ thống xuyên quốc gia, xuyên lục địa với tốc độ và dung lượng cực lớn nối liền nhiều quốc gia với nhau Tốc độ của các hệ thống này có thể từ 280, 420, 565, 2400 Mbit/s và cự ly trạm lặp có thể tư 50

đến 400 Km

Trong các hệ thống cự ly ngắn thì cáp quang không có vai trò quyết

định giá cả mà ngược lại là các bộ nối và các linh kiện thu phát quang Tại đây có thể sử dụng các sợi quang đa mode SI, GI Công suất quang cũng không cần lớn lắm nên có thể dùng các diode phát quang LED Tốc

độ truyền dẫn không cao nên diode thu quang có thể không cần các loại

có độ nhạy cao và băng rộng, có thể dùng loại diode thu PIN Xu hướng của các hệ thống thông tin quang cự ly ngắn là sử dụng hệ thống truyền dẫn tốc độ 34 Mbit/s và 140 Mbit/s với các sợi quang đơn mode

1.4.2 Phạm vi ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang

Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Trong lĩnh vực thông tin các hệ thống truyền dẫn quang được ứng dụng vào các tuyến trung kế giữa các tổng đài điện thoại, đường trục với dung lượng lớn và cự ly xa

Trong mạng số dịch vụ tổng hợp truyền dẫn quang còn được sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫn các loại thông tin khác như

âm thanh, hình ảnh, số liệu các loại

Trong mạng truyền hình cáp, sợi quang được sử dụng có hiệu quả thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian và cáp đồng trục

Ngoài ra các hệ thống truyền dẫn quang cũng được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn để truyền các số liệu đo lường, tín hiệu điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc tất cả các thông

tin văn phòng trong phạm vi mạng Local Area Network (LAN)

Hai đặc tính điển hình của truyền dẫn tương tự (Analog) là:

‐ Tỷ số tín hiệu/nhiễu: S/N

‐ Độ rộng băng tần: BW

Hai đặc tính điển hình đối với hệ thống truyền dẫn số là:

‐ Xác xuất lỗi đối với tín hiệu đã tách ra hoặc tỷ số lỗi bit: BER

‐ Tốc độ truyền bit: BR

22 Optical Fiber Communication

Ngoài ra còn có một số tham số khác như độ trượt (Jitter), méo sóng

hài, sự giao thoa giữa các ký hiệu

1.5.1 Các tham số điện quang

Khi xác định mối quan hệ giữa tín hiệu và nhiễu cũng như đo độ rộng băng tần có thể có sự khác nhau phụ thuộc vào vị trí đo ở phía điện hay phía quang Giao tiếp quang là ở lớp đường quang, nghĩa là ở đầu ra

của nguồn quang hoặc đầu vào của máy thu quang

Là khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín hiệu như hệ số khuếch đại

điện, các tỷ số dòng điện, điện áp nằm trong một giới hạn xác định Hiện nay người ta định nghĩa độ rộng băng tần ở 3 dB tại đó đáp ứng của tín

hiệu sụt đến 0,707 so với giá trị của nó tại tần số f = 0

3 (S/N) 0 và (C/N) 0 :

Là tỷ số tín hiệu/nhiễu và tỷ số sóng mang/nhiễu được đo và xác

định tại các cổng quang của hệ thống Nó chính là tỷ số công suất tín hiệu quang trung bình thu được Pr trên công suất nhiễu quang tương

đương

4 Độ rộng băng tần quang (BW) 0 :

Đây là khoảng tần số ở đó mức công suất quang nằm trong giới hạn xác định Thường người ta sử dụng độ rộng băng tần quang ở mức sụt

quang 3 dB, tại đó công suất quang giảm 50% so với giá trị tại tần f = 0

1.5.2 Các tham số quang và tham số đường quang

1 Công suất phát quang.

Đây là công suất quang từ nguồn phát quang được đưa vào sợi quang

và được đo tại đầu ra của bộ ghép giữa nguồn quang và sợi cáp đuôi phía phát Công suất được biểu thị bằng công suất trung bình Nếu gọi công suất phát của nguồn quang là Ps thì công suất phát quang Pt được xác

định như sau:

P t = P s ‐ L i (1‐1)

Trong đó Li là tổn hao quang từ nguồn quang tới sợi quang

2 Công suất quang yêu cầu tối thiểu ‐ MRP

Nếu P r là công suất quang thu được tại đầu ra của bộ nối máy thu (phía đường dây) thì MRP là công suất P r nào đó để đạt được đặc tính xác định, chúng được biểu thị bởi công suất trung bình hay công suất hiệu dụng (rms)

Đặc tính của tuyến được xác định bằng độ lệch công suất quang yêu cầu tối thiểu của máy thu theo công suất quang thu thực tế P r Công suất

đã tách được P d và công suất đã tách được yêu cầu tối thiểu MDP liên quan đến công suất tới của bộ tách quang Mối liên quan giữa MRP và

MDP như sau:

MDP = MRP ‐ L d (1‐2) Trong đó L d là tổn hao từ đầu vào của bộ nối quang thu tới bộ tách

quang

3 Tổn hao quang

Tổn hao quang trong tuyến là tổn hao của các bộ nối, các bộ ghép, các mối hàn và các tổn hao trong sợi quang gây ra như tổn hao do hấp thụ (hấp thụ của vật liệu, hấp thụ của tạp chất), sự không đồng nhất của chiết suất, sự không đồng đều tại biên giới lõi và vỏ, tổn hao cong và vi

cong của sợi

24 Optical Fiber Communication

‐ §é réng b¨ng tÇn cña nguån quang vµ bé kÝch thÝch (BW)s

‐ §é réng b¨ng tÇn cña bé t¸ch quang (BW)d…

Chương 2

Sợi quang

Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của bất kỳ

hệ thống thông tin quang nào Sợi quang không những đáp ứng được yêu cầu về tốc độ, độ rộng băng tần và cự ly truyền dẫn mà nó còn có khả năng cung cấp một chất lượng truyền tín hiệu tuyệt hảo, với tính bảo mật thông tin rất cao

Trong chương này sẽ trình bày một số vấn đề để nhằm đạt tới một sự hiểu biết cơ bản về cấu trúc vật lý, đặc tính truyền dẫn ánh sáng, công nghệ chế tạo sợi quang cũng như cấu trúc cáp sợi quang và một số

phương pháp đo các thông số của sợi quang

2.1 Khái quát chung

2.1.1 Bản chất của ánh sáng

Khái niệm liên quan tới bản chất của ánh sáng đã trải nhiều biến đổi trong suốt lịch sử phát triển của vật lý Cho đến đầu thế kỷ thứ XVII, nói chung đều cho rằng ánh sáng bao gồm một luồng các phần rất nhỏ được phát đi bởi một nguồn cực sáng Những phần tử nhỏ này được miêu tả như là một sự di chuyển theo đường thẳng và chúng có thể xuyên qua vật liệu trong suốt, nhưng nó bị phản xạ từ những vật liệu mờ, không thấu quang Lý luận này được miêu tả một cách đầy đủ và chắc chắn như các hiện tượng phản xạ và khúc xạ, nhưng thiếu sót khi giảng giải các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng

Sự phân tích đúng đắn về hiện tượng nhiễu xạ được Fresnel đưa ra năm 1815, Fresnel đã trình bày rằng đặc tính truyền lan gần như theo

đường thẳng của ánh sáng có thể giải thích bằng sự lan truyền như là sóng của ánh sáng, và viền tua của sự nhiễu xạ cũng được giải thích một cách tỉ mỉ

26 Optical Fiber Communication

Sau đó năm 1864 Maxwell đã lý luận rằng ánh sáng là sóng điện từ trong tự nhiên Cao hơn nữa, sự quan sát tác động của sự phân cực đã chỉ

ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang, có nghĩa là sóng di chuyển thẳng góc với hướng mà sóng chuyển dời

Đến cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX sau các phát minh về hiệu ứng quang điện ‐ là hiện tượng các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt kim loại khi chiếu lên đó một chùm ánh sáng có bước sóng thích hợp Người ta đã chứng minh được rằng trong các trường hợp này ánh sáng không còn mang tính chất sóng mà mang tính chất hạt

Như vậy cùng một đối tượng là ánh sáng, khi thì nó mang tính chất sóng, khi thì lại thể hiện tính chất hạt tuỳ theo từng hiện tượng vật lý cụ thể mà ta quan sát Tính chất lưỡng nguyên này của ánh sáng được gọi là

đối tính sóng và hạt

2.1.1.1 Sóng điện từ

Trong phần này, chúng ta quan tâm đến ánh sáng với tư cách là các

sóng điện từ Hình vẽ 2‐1 minh hoạ một sóng điện từ

Hình 2‐1: Sóng điện từ trong không gian và thời gian

Để đơn giản trong việc nghiên cứu, chúng ta hãy xem xét quá trình truyền của ánh sáng trong không gian tự do, chân không Không khí sạch sẽ là một sự gần đúng rất tốt cho ví dụ này Trong môi trường này,

ánh sáng là các sóng điện từ nằm ngang (TEM) Thuật ngữ nằm ngang

có nghĩa là cả hai vector ‐ vector điện trường E và vector từ trường H ‐ vuông góc với phương truyền sóng là trục z

‐A

A

T

t(s) E(V/m)

b)

2.1.1.2 Tia sáng (Beam hoặc Ray)

Chúng ta đã biết rằng, ánh sáng có thể được xem như là một tia sáng (ray) Chỉ cần nhìn vào ánh sáng phát ra từ đèn pha ôtô hoặc tia sáng màu đỏ phát ra từ một điểm sáng đơn giản Ví dụ rõ ràng nhất của hiện tượng này là ánh sáng được phát ra từ một Laser

Các tia sáng truyền bên trong các môi trường khác nhau tại các tốc

độ khác nhau Đặc tính mô tả tính chất này của một môi trường được gọi

là chiết suất hoặc là chỉ số khúc xạ (chiết suất) Vì vậy, nếu gọi n là vận tốc của ánh sáng trong môi trường truyền dẫn, và C là vận tốc ánh sáng trong chân không, thì chiết suất n có thể được tính theo công thức:

Bảng 2‐1: Chiết suất của các môi trường truyền dẫn khác nhau

2.1.1.3 Bản chất lượng tử của ánh sáng

Lý thuyết sóng của ánh sáng được tính toán một cách đầy đủ đối với

sự truyền dẫn của ánh sáng Tuy nhiên trong đa số trường hợp khi nghiên cứu sự tác dụng lẫn nhau giữa ánh sáng và vật chất như trong tán xạ, trong việc phát và hấp thụ của ánh sáng thì lý thuyết sóng ánh sáng là không thích hợp Để thay thế chúng ta phải quay lại lý thuyết lượng tử, thuyết này chỉ rõ rằng ánh sáng bức xạ thành các phần cực nhỏ Bản chất của các phần tử nhỏ đó là luôn được phát ra hoặc hấp thụ một cách không liên tục, được gọi là các hạt lượng tử hay các phô tôn Trong tất cả các thí nghiệm được sử dụng để trình bày sự tồn tại của phô tôn, năng lượng của phô tôn được tìm thấy phụ thuộc duy nhất vào tần số f

Mối quan hệ giữa năng lượng E và tần số f của phô tôn được cho bởi:

28 Optical Fiber Communication

bức xạ ra một phô tôn có năng lượng chính xác bằng h.f

2.1.2 Các đại lượng đặc trưng cơ bản của sóng ánh sáng

2.1.2.1 Dải phổ bức xạ

Dải phổ bức xạ là đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ, nó

được thể hiện bởi hai đại lượng tần số và bước sóng Giữa 2 đại lượng này có mối quan hệ:

2.1.2.3 Đặc tính không kết hợp

Các nguồn quang thông thường bức xạ ra ánh sáng không có tính kết hợp Khi nguồn quang hoạt động, từng nguyên tử riêng rẽ sẽ bức xạ ngẫu nhiên các xung ánh sáng có một dao động riêng Các xung này tồn tại trong một thời gian ngắn chừng 10 ‐8 s và dịch chuyển với quãng đường chừng vài mét, sau đó các nguyên tử này ngừng bức xạ trong một thời gian dài Trong thời gian đó các nguyên tử khác cũng chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn, nhưng nhờ xếp chồng các xung này mà có một luồng ánh sáng liên tục bức xạ ra ngoài Do các nguyên tử bức xạ ra

ánh sáng ngẫu nhiên, nên pha của ánh sáng bức xạ là biến đổi ngẫu nhiên, và biến đổi rất nhanh Vì thế các nguồn sáng tự nhiên không giao thoa được với nhau trong thời gian dài Đặc tính này của ánh sáng tự

bị khức xạ và hợp với pháp tuyến p một góc b Quan hệ giữa các góc a

và b với các chiết suất n 1 n 2 tuân theo định luật khúc xạ của Snelions:

n 1 sina=n 2 sinb (2‐5)

Khi tia đạt tới góc a T (tia 2)thì nó không đi vào môi trường thứ 2 nữa

mà lại bị khúc xạ song song với mặt phân cách góc khúc xạ là b=90 0

Theo phương trình trên ta có:

sinaT = n 2 /n 1 (2‐6)

30 Optical Fiber Communication

Bây giờ cho tia tới với góc a>a T thì tia bị phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường n 1 do đó người ta gọi a T là góc tới hạn, độ lớn cuả góc

tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất của 2 môi trường

Hình 2‐2: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ (a) hiện tượng phản xạ toàn phần (b)

Muốn phản xạ toàn phần cần có 2 điều kiện sau:

+ Chiết suất n 1 >n 2

+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn a T

Các định luật phản xạ và khúc xạ là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang Trong sợi dẫn quang các tín hiệu ánh sáng được truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần

bên trong

2.2 Cấu trúc cơ bản của sợi quang

2.2.1 Cấu tạo sợi quang

Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) dẫn quang có chiết suất n 1 đường kính là dk =2a và lớp vỏ (cladding) cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột có chiết suất là n 2 có đường kính là dm Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc

Hình 2‐3: Cấu trúc sợi quang

Với n 1 , n 2 , a, dm được gọi là tham số cấu trúc, chúng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang

‐ Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating)

‐ Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:

‐ Chống lại sự xâm nhập của hơi nước

‐ Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt

‐ Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

‐ Tăng độ mềm uốn cơ học của sợi quang

Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong

32 Optical Fiber Communication

lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ Lớp phủ có thể được nhuộm mầu hoặc có thêm vòng

đánh dấu, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất lượng của sợi quang

Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổỉ nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau:

‐ Dạng ống đệm lỏng (Loose buffer)

‐ Dạng đệm khít (tight buffer)

‐ Dạng băng dẹt (Ribbon)

Mỗi dạng có những ưu nhược diểm khác nhau do đó được sử dụng

trong từng điều kiện khác nhau

2.2.2 Phân loại sợi quang

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng khác nhau mà sợi quang đươc sản xuất theo các kỹ thuật khác nhau với các đặc tính khác nhau.Trên cơ sở này

mà sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ như theo vật liệu chế tạo sợi quang, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi sợi

Trong thực tế người ta thường chia sợi quang thành những loại sau: 

ư Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI‐MM (Step Index‐Multi mode) 

ư Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI‐MM (Grandien Index‐ Multi Mode) 

ư Sợi đơn mode SI‐ SM (Step Index – Single Mode)

2.2.2.1 Phân loại theo vật liệu điện môi

ở vật liệu điện môi thì có 3 loại sợi:

Loại sợi bao gồm phần lớn thuỷ tinh thạch anh: nó không chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO 2 ) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge,

B, và F… để làm thay đổi chiết suất khúc xạ

Bảng 2‐2: Liệt kê các kiểu phân loại sợi quang

Loại sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là soda lime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh boro_silicat v.v…

Loại sợi quang thuỷ 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

2.2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ

Các sợi quang có thể tạm phân loại thành 2 nhóm theo phân bố chỉ

số khúc xạ của lõi sợi Một loại gọi là sợi quang chiết suất phân bậc (SI) Loại thứ hai gọi là sợi quang chiết suất biến đổi (GI)

Loại sợi quang SI: Nói chung chỉ dùng để chỉ sợi quang đa mode mà

nó có chiết suất thay đổi một cách rõ ràng giữa lõi và vỏ

Loại sợi quang GI: Sợi quang được làm theo cấu trúc đặc biệt để truyền ánh sáng nhiều mode Chiết suất khúc xạ của lõi biến đổi một cách dần dần theo hướng đường kính sợi Hay ánh sáng ở mode cao hơn

Phân loại theo vật

liệu điện môi

‐ Sợi quang thạch anh

‐ Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu

‐ Sợi quang bằng nhựa tổng hợp

Phân loại theo

mode lan truyền

‐ Sợi quang đơn mode(single mode‐SM)

‐ Sợi quang đa mode (multi mode‐MM)

Phân loại theo phân

bố chiết suất khúc

xạ trong sợi quang

‐ Sợi quang chiết suất nhảy bậc (step index‐SI)

‐ Sợi quang chiết suất biến đổi (grandien Index‐ GI)

34 Optical Fiber Communication

sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong

phần lõi có chiết suất phản xạ thấp

2.2.2.3 Phân loại theo mode lan truyền

Căn cứ vào số Mode truyền dẫn trong sợi, tất cả các sợi quang được nhóm thành hai nhóm:

Loại sợi đa Mode: Là loại sợi chiết suất phân bậc, có đường kính lõi vào khoảng 100 200mm và sợi chiết suất Gradiant với đường kính lõi sợi vào khoảng 50mm và 62.5mm Hiện tại sợi quang đa Mode vẫn được sử dụng trong các ứng dụng như thiết bị, hoặc dùng làm cáp cho mạng LAN (Local Area Network) Ưu điểm của loại sợi này như đã nghiên cứu ở trên là khẩu độ số lớn thuận tiện cho truyền dẫn nhiều băng tần truyền dẫn Và như vậy sẽ làm đơn giản các thiết bị và phát huy lợi nhuận tối đa

Tuy nhiên, do sự trễ về thời gian giữa các Mode truyền dẫn, xung

ánh sáng sẽ lan rộng tương ứng khi độ dài sợi tăng, Và sẽ gây ra giới hạn về băng tần truyền dẫn

Loại sợi Đơn Mode: Trong sợi đơn Mode, đường kính lõi sợi sẽ được giảm nhỏ cho đến khi chỉ có duy nhất một Mode truyền trên sợi quang Kích thước vật lý của sợi đơn Mode vào khoảng dưới 10mm, đây cũng là kích thước để một Mode truyền trong nó được bảo đảm là tối ưu

Tuy nhiên cần phải chú ý rằng sợi đơn Mode sẽ là sợi đơn Mode khi

và chỉ khi bước sóng của xung ánh sáng l lớn hơn l c với: 

dẫn sóng (Waveguide dispersions) một phần của tán xạ mầu sắc (Chromatic dispersion) mà ta sẽ nghiên cứu sau Thông thường, các sợi

đơn Mode dưới đây sẽ có tán xạ mầu sắc bằng không

2 Sợi đơn Mode thông thường (Standard Single Mode Fiber –

Phân loại sơi quang theo Mode truyền dẫn

Kiểu Sợi Sợi quang đa Mode Chiết suất bậc

50 hay 62.5mm

125mm 125 200m

36 Optical Fiber Communication

Đối với loại sợi này, tán sắc ống dẫn sóng sẽ được thay đổi trên

đường đị của tia sáng để có tán xạ mầu sắc bằng không tại bước sóng

1550nm

4 Sợi đơn Mode có tán sắc không Zero dịch chuyển (Non‐Zero

Dispersion Shifted Fiber NZ‐DSF, theo khuyến nghị G655)

Về cơ bản, nguyên lý truyền dẫn của loại sợi này cũng giống như sợi DSF Nhưng tán xạ mầu sắc sẽ không bằng không tại bước sóng 1550nm Nó sẽ có tán xạ mầu sắc bằng không tại bước sóng < 1440nm Trong sợi do Alcatel chế tạo đây là sợi TeraLight TM

Ngày nay, trong sự tiến bộ vượt bậc của khả năng truyền dẫn và sự xuất hiện của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng mới (Ghép kênh quang theo bước sóng với mật độ dày ‐ Dense Wavelength Division Multiplexing‐ DWDM) Thì chỉ có hai trong số các sợi quang kể trên có thể được lựa chọn

Hoặc sợi đơn Mode thông thường phối hợp với sợi bù tán sắc (Dispersion Compensation Fiber‐ DCF), hoặc là sợi có tán sắc không zezo dịch chuyển NZ‐DSF có thể được chọn Bởi các thông số cơ bản của chúng có hiệu quả trong một vùng lớn cả điểm tán xạ mầu và vùng xung quanh tán xạ này Cả hai giải pháp này đều phù hợp cho công nghệ ghép kênh quang DWDM với khoảng cách giữa các kênh ghép là rất nhỏ

với tốc độ truyền dẫn lớn trong một đường truyền rất dài

2.2.3 Vật liệu chế tạo sợi quang

Phần trên ta đã nghiên cứu cơ bản về cấu trúc sợi dẫn quang, nhìn chung chúng có cấu tạo gồm lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi quang dài và rất mảnh Do yêu cầu truyền tín hiệu cho cự ly xa và tốc độ lớn nên chúng phải được cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng

Như vậy, trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo sợi quang, Vật liệu

đó cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo tạo được các sợi quang dài, mảnh và mềm dẻo

+ Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các bước sóng làm việc thông dụng (1300,1550nm) tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao + Các vật liệu chế tạo ra lõi, vỏ của sợi phải có bản chất vật lý tương thích để tạo ra sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ là khá nhỏ

Tổng hợp các yêu cầu trên, người ta thấy rằng trong tất cả các loại vật liệu từ trước đến bây giờ con người đã tạo được, Thuỷ tinh và chất dẻo trong suốt là vật liệu phù hợp nhất Các loại sợi được chế tạo có lõi

là thuỷ tinh có suy hao lớn thì dùng cho các tuyến truyền dẫn có cự ly ngắn, tốc độ thấp còn sợi chế tạo từ thuỷ tinh có suy hao nhỏ thì dùng rộng rãi trong các tuyến có cự ly xa, tốc độ cao và các hệ thống thông tin quang tiên tiến Các loại sợi bằng chất dẻo ít được sử dụng vì có suy hao lớn hơn thuỷ tinh, nó chỉ dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi có tác

động cơ học mạnh, nơi mà yếu tố chất lượng truyền dẫn không phải đặt

lên hàng đầu

2.2.3.1 Sợi thuỷ tinh

Thuỷ tinh được tạo từ các hỗn hợp Oxit kim loại nóng chảy, Sulfide hoặc Selenide Chúng tạo ra một vật liệu có cấu trúc một mạng phân tử liên kết hỗn hợp Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thuỷ tinh oxit Trong đó Dioxit Silic (SiO 2 ) là loại oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi Nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850nm là 1,458 Để tạo ra hai loại vật liệu gần giống nhau làm lõi và vỏ phản xạ của sợi, nghĩa là chỉ số chiết suất hơi lệch nhau, người ta phải thêm vào hàm lượng Flo và các oxit khác nhau như B 2 O 3 , GeO 2 và P 2 O 5 Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thì thêm P 2 O 5 và GeO 2 vào SiO 2 còn nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thì thêm B 2 O 3 vào ở sợi dẫn quang có chiết suất lõi lớn hơn vỏ (đảm bảo phản xạ toàn phần) Vậy ta có thể thấy

được hỗn hợp vật liệu tạo ra các sợi như sau:

+ Sợi có lõi GeO 2 ‐ SiO 2 và vỏ phản xạ SiO 2

+ Sợi có lõi P 2 O 5 ‐ SiO 2 và vỏ phản xạ SiO 2

+ Sợi có lõi B 2 O 3 ‐ GeO 2 ‐ SiO 2 và vỏ phản xạ B 2 O 3 ‐ SiO 2

+ Sợi có lõi SiO 2 và vỏ phản xạ B 2 O 3 ‐ SiO 2

38 Optical Fiber Communication

Trong thực tế vật liệu thô của SiO 2 chính là cát, một nguồn tài nguyên sẵn có và vô tận Thuỷ tinh chế từ SiO 2 có đặc điểm quan trọng

là biến dạng tại nhiệt độ khoảng 1000 0C , rất ít bị nở khi nhiệt độ tăng, tính bền vững hoá học cao

Rất trong suốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy (vùng hồng ngoại) do vậy rất thích hợp cho thông tin quang sợi Tuy nhiên chúng có nhược

điểm là cần công nghệ cao để chế tạo

2.2.3.2 Sợi thuỷ tinh Halogen

Năm 1975, các nhà nghiên cứu tại trường đại học tổng hợp Rennes

đã phát minh ra loại thuỷ tinh Fluoride có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng bước sóng giữa hồng ngoại (200 á8000nm), và suy hao thấp nhất ở vào khoảng quanh bước sóng 2250nm Thuỷ tinh Fluoride là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoàn đó là Flo, Clo, Brom, Iot Trong quá trình nghỉên cứu, các nhà khoa học đã tập trung vào phân tích các vật liệu thuỷ tinh Fluoride kim loại nặng trong

đó chủ yếu chứa các thành phần ZrF 4 Để hoàn chỉnh người ta còn thêm vào các vật liệu có tính chất kết tinh Trong tất cả các loại này, hứa hẹn nhất là sợi có cấu trúc từ ZrF 4 – BaF 2 – LaF 3 – AlF 3 – NaF gọi là sợi ZBLAN

Loại sợi thuỷ tinh Fluoride có suy hao rất nhỏ cỡ khoảng10 ‐2 dB/Km

á 10 ‐3

dB/Km tạo ra một tiềm năng lớn cho ngành thông tin quang Tuy

nhiên vẫn có hạn chế như công nghệ chế tạo và độ dài sợi

2.2.3.3 Sợi thuỷ tinh tích cực

Những kết quả nghiên cứu của những nhà khoa học về sợi dẫn quang cho ra các đặc tính từ và quang mới là việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thuỷ tinh thụ động bình thường Đặc tính này cho phép các sợi thuỷ tinh có thể khuếch đại, suy hao và làm trễ pha tín hiệu ánh sáng trong truyền dẫn quang, quá trình pha tạp ở đây có thể tiến hành ở cả sợi Silic lẫn sợi Halogen

2.2.3.4 Các loại sợi vỏ chất dẻo

Phần trên ta đã xem xét cấu tạo của các loại sợi có vỏ và lõi đều là thuỷ tinh những sợi này là yếu tố quan trọng trong những tuyến thông tin quang cự ly dài và tốc độ lớn

Đối với những cự ly ngắn (vài trăm mét) người ta sử dụng các loại sợi có vỏ chất dẻo nhằm giảm chi phí, vì cự ly này cho phép sử dụng các loại sợi có suy hao lớn Sợi này còn được gọi là sợi thuỷ tinh vỏ chất dẻo PCS (Plastic – Clad‐ Silica), vỏ thường chế tạo từ hợp chất polimer có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi SiO 2

Giá trị chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại bước sóng 850nm, nhựa Silicon sẽ thoả mãn không những thế nhựa Silicon còn tham gia tạo vỏ bảo vệ sợi quang Thông thường sợi thuỷ tinh vỏ phản xạ là chất dẻo là loại chỉ tồn tại ở dạng sợi có chiết suất phân bậc, chúng lại có đường kính lõi khá lớn (150á600mm)

Sợi này có khẩu độ số khá lớn nên cho phép sử dụng với nguồn quang có góc phát xạ lớn Vì thế cho phép giảm giá thành hệ thống một

cách đáng kể

2.2.3.5 Sợi Chất dẻo

Là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và vỏ phản xạ đều bằng chất dẻo loại sợi này chỉ đáp ứng được cự ly truyền dẫn không quá 100m vì

suy hao rất lớn Sợi này ngày nay hầu như không được sử dụng

2.3 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang không phải là một kênh truyền lí tuởng Do chịu ảnh hưởng của các qui luật lan truyền sóng ánh sáng trong các sợi dẫn sóng

điện môi, nên ánh sáng lan truyền bị suy giảm dần, và tín hiệu ánh sáng

bị biến dạng

Có hai phương pháp để nghiên cứu về quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang đó là phương pháp quang hình học (Geometrical‐ Opticals‐Description) Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, trực

40 Optical Fiber Communication

quan dễ hiều Phương pháp thứ hai là phương pháp quang học sóng (Wave Propagation) Phương pháp này sẽ cho ta hiểu một cách sâu sắc hơn về quá trình truyến sóng ánh sáng trong sợi quang Và sau đây

chúng ta sẽ lần lượt xem xét hai phương pháp trên

2.3.1 Phương pháp quang hình học (Geometrical‐Opticals‐ Description)

Tuy rằng phương pháp này chỉ mang tính chất gần đúng nhưng ưu

điểm của nó là cung cấp cho chúng ta một hình ảnh tổng quát, mà không

phải ứng dụng các phương pháp toán học phức tạp

2.3.1.1 Trong sợi quang có chỉ số chiết suất nhảy bậc (Step‐Index Fibers)

Chiết suất của vỏ n 2 nhỏ hơn chiết suất của ruột n một khoảng 1%

Ta xem xét các tia sáng lan truyền trong một mặt phẳng như trên hình 2‐5

Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang phải đi qua môi trường không khí có chiết suất n K =1,rồi vào ruột sợi có chiết suất n 1 lớn hơn n K .vì thế khi đi qua mặt cắt đầu sợi các tia sẽ bị khúc xạ

Chùm ánh sáng đi vào sợi là vô số tia với các góc tới q khác nhau Trong sợi có một tia chạy song song với trục quang của sợi (tia 1), và nhiều tia khác tạo với trục quang một góc nghiêng a A khi tới mặt phân cách vỏ‐ ruột các tia này tạo với pháp tuyến của mặt phân cách một góc tới a T thoả mãn điều kiện:

a , T = 90 0 ‐ a A (2‐9)

Hình 2‐5: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI