công ghệ truyền dẫn sdh

Chương II em nghiên cưu về lý thuyết trung về truyên dẫn + Các thông số của sợi quang bao gồm: Suy hao trong sợi quang Các nguyên nhân gây suy hao Tán sắc + Cấu trúc của sợi quang gồm lớ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN

- Phần I: Tổng quan về hệ thông tin quang

- Phần II: Công ghệ truyền dẫn SDH

- Chương I: Sơ lược về hệ thông thông tin quang

Ở chương này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và ưu nhược điểm của nó

- Chương II: Các thành phần của hệ thông tin quang

Chương II em nghiên cưu về lý thuyết trung về truyên dẫn

+ Các thông số của sợi quang bao gồm:

Suy hao trong sợi quang

Các nguyên nhân gây suy hao

Tán sắc

+ Cấu trúc của sợi quang gồm lớp phủ và lớp vỏ

+ Các linh kiên biến đổi quang gồm có các yêu cầu kĩ thuật của linh kiện biến đổi quang, nguồn quang và tách sóng quang

+ Hàn nối sợi quang: Các yêu cầu kĩ thuật của mối nối

+ Hệ thống thông tin quang gồm có cấu trúc hệ thống thông tin quang và mã hoá hệ thống thông tin quang

+ Thiết kế tuyến thông tin: tính toán thiết kế và ví dụ để tính toán

- Chương 1: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn

Trong chương này em nghiên cứu

+ Kỹ thuật điều chế xung mã gồm cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM

Trong chương này em nghiên cứu

+ Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH

+ Sự cần thiết của SDH

+ Cấu trúc khung SDH gồm cấu trúc ghép cơ bản và cấu trúc khối

- Chương 3: Nghiên cứu mạng SDH

Trong chương 3 em nghiên cứu

+ Các vùng mạnh SDH gồm đường dẫn, vùng ghép kênh và vùng lặp+ Thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ: Có hai thành phần là

Hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao

Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp

+ Kết nối chéo DDC

+ Mạng

+ Mạng vòng ring SDH

Trong mạng này gồn có 6 mạng vòng là:

Vong ring một hướng tợ bảo vệ cho một vùng dẫn

Mạng vòng ring hai hướng

Bảo vệ theo đường truyền

Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng bảo vệ theo luồng

Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng theo đoạn

Mạng vòng ring tự phục hồi hai hướng bảo vệ theo đoạn

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang.

Như chúng ta đã biết thông tin quang học đã có từ lâu đời Cho tới thế kỷ 18 thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu,

Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau:

Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó Tốc

độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km

Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là

sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần

Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng

Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang

Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công

Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện

Năm1966 Charles H KaoVà George A Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( δ≅

1000dB/km)

Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km

3

Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.

1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang.

Trặm lặp trên đường truyền

Tín hiệu ra

Biến đổi Biến đổi

Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn

- Theo sơ đồ hệ thống ta có:

+ Nguồn tín hiệu ban đầu: Tiếng nói, Fax, Camera

+ Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống

+ Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với cácmức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện “0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”

Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như:LED, laserđioe

Nguồn

tín hiệu

Phần tử điện

E O

EO

EO

EO

Phần tử điện

+ Trạm lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy để truyền được tín hiệu đi xa cần có trạm lặp Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có tr ặm lặp

Tín hiệu Tín hiệu

Cáp quang Cáp quang

Sơ đồ khối trặm lặp

1.3 ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang.

- Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác

- Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay

+ Mạng đường trục xuyên quốc gia

+ Đường trung kế

+ Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia)

+ Đường số liệu

+ Mạng truyền hình

5

O E

O E

- Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ.

- Sợi quang có tính bảo mật trong thông tin cao, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ trường bên ngoài

- Tính cách điện cao, không gây chập cháy

- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong

- Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại

có cùng dung lượng và cự ly

- Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tương thích

- Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao

- Thiết bị tốn kém

Nhờ có những ưu nhược điểm trên nên sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác

Chương II Các thành phần của hệ thống thông tin quang

2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn.

Tia phản xạ1’

Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới.

α=α’

*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell

n1Sinα =n2 Sinβ

Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1

n2 : chiết suất môi trường 2

Khi n1>n2 thì α > β nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn α khi β = 90tức là song với mặt tiép giáp, thì α được gọi là góc tới hạn αT Nếu tiếp tục tăng cao cho

α>αT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn αT:

SinαT = n n12 hay αT=artsinn n12

2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn

Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang của sợi quang để làm truyền

Tia sáng thâm nhập tao nên một góc θ với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánhsáng Tia sáng phải đi qua môi trường không khí có nk = 1 rồi vào ruột sợi có n1> nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ β Sự phản xã toàn phần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới θ < θmax.

Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số

NA = Sinθmax.

áp dụng công thức Snell để tính NA

Tại điểm A ta có:

nksinθmax = n1sin90

Mà nk là chiết suất không khí(n1=1)

Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì:

Sinαmin = n n12 và αmin đảm bảo đIều kiện toàn phần

nk

n2

Tia phản xạ

n1

Với ∆ là sự khác nhau về chiết suất.

* giá trị cực đại θ max gọi là góc nhận ánh sáng và sin θ max < n2

1-n2

2

để mở khẩu độ Tia sáng đi vào quang theo một góc θ > θ max sẽ bị khúc quang không thể truyền đi được xa

2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang.

• Sợi quang có cấu trúc chung bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn Triết suất của lớp

vỏ không đổi còn triết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra) Sự biến thiên triết suất theo bán kính được biết dưới dạng tổng quát như sau:

n2[1-∆(r/a)g ] với r ≤a (trong lõi)

n

n

n −

: độ chênh lệch triết suất

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính triết suất

a: bán kính lõi sợi

b: bán kính lớp vỏg: số mũ quyết định dạng biến thiên, g≥1

Các giá trị thông dụng của g:

- Sợi quang có triết suất nhẩy bậc

Đây là sợi quang có cấu tạo đơn giản nhất với triết suất của lõi và lớp vỏ khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phòng cào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc:

- Sợi quang có triết suất giảm dần (GI: Graded-Index)

Sợi GI có dạng phân bố triết suất lõi hình parabol, vì triết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất vì triết suất

ở trục là ngắn nhất Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

a/ Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc: (Hình a)

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiềutạp âm vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo

độ chênh lệch triết suất∆ nhưng có triết suất lõi n1 không cao

b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b):

Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta

có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất như hình b

c/ Dạng san bằng tán sắc (Hình c):

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng triết suất như hình c

13

2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode.

• Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm).

- Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 50µm

d

a/ Sợi SI-MM

n1

n2

Kích thước sợi dây mode theo tiêu chuản CCITT (50/125µm).

*Sợi đơn mode (SM: single Mode)

Các thốngố của sợi SM thông dụng là:

- Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 9 đến 10µm

- Vỏ: có triết suất n2<n1: đường kính D = 2b = 125µm.

- Độ chênh lệch triết suất tương đối:

Khi giảm kích thước lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì được gọi làđơn mode Trong sợi tryền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố triết suất nhẩy bậc.

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bước sóng λ=1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phảicó độ chính xác cao Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

n1

n2 ∆ = 0,3%

2.2 Các thông số của sợi quang.

2.2.1 Suy hao trong sợi quang.

- Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng trong sợi quang

Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cự ly vớiquy luật hàm mũ tương tự như tínhiệu điện Biểu thức tổng quát của hàm mũ truyền công suất có dạng

Trong đó: P(L): công suất cự ly tính từ đầu sợi.

P(1): công suất đầu sợi (L=0)

α : hệ số suy hao

- Suy hao của sợi quang được tính theo công thức

A = logP P21 (dB) với P2<P1

Trong đó: P1: ông suất quang đưa vào đầu sợi quang

P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang

- Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức:

α = L A (dB/Km)

Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB]

L: Chiều dài sợi quang [Km]

2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao.

a/ Suy hao do hấp thụ (Hình a,b,c)

- Sự hấp thụ kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp năng lượng ánh sáng Các tạp chất kim loại trong sợi quang hấp thụánh sáng thường gặp là Cu, Fe, Mn, Cr, Ni……

- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần

tỷ (10-9)

- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ ánh sáng Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang

- Sự hấp thụ ở vùng cực tím và hồng ngoại: Do vùng ánh sáng cực tím và hồng ngoại hấp thụ ánh sáng mà bản thân ánh sáng truyền trong sợi quang năm trong vùng hồng ngoại và cận cực tím Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyên trong sợi quang

b/ Suy hao do tán sắc (Hình 1)

- Do tán xạ Rayleigh: Hiện tượng này xẩy ra do sợi quang sau khi chế tạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh Khi kích thước của vùng không đồng nhất bằng 1/10λ thì chúng trở thành những nguồn, điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ còn một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác

- Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (

λ -4) nên giảm rất nhanh về phia bước sóng dài nhưng nó ảnh hưởng đáng kể ở bước sóng ngắn

- ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng từ 1 đến 2 dB ở λ = 1300nm suy hao là 0,3dB/km Còn ở λ = 1550nm suy hao nhỏ nhất Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang

- Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng

không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần

c/ Suy hao do uốn cong (Hình 2)

Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục,

sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang

600

500

400

300

200

100

19

500 600 800 1000 1200 1400 1600

0

c/ Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

)

nm

600 800 1000 1200 1400 1600

3 2

1 0

)

nm

600 800 1000 1200 1400 1600

3 2

1 0

)

nm

b/ Độ hấp thụ OH

0 T T

D = −

Trong đó: Ti là độ rộng xung vào

To là độ rộng xung ra

- Độ tán sắc do chất liệu người ta đánh giá trên mỗi km sợi ứng với mỗi mm của

bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị tính là PS/Km.Km

- Độ tán sắc qua mỗi Km sợi tính bằng đơn vị us/Km hoặc PS/Km

b Các nguyên nhân gây tán sắc

21

-1010,1

- Tán sắc Mode: chỉ xuất hiện ở sợi damode Các thành phần ánh sáng lan truyềnnhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méoxung Dạng xung đầu vào máy thu phụ thuộc 2 yếu tố chính:

+ Thành phần công suất từ nguồn từ nguồn phát quang ghép vào sợi

+ Sự phân bố các mạch mode truyền dẫn trên sợi quang với loại sợi SI - MM

+ Tia 1: Tia dài nhất

1 D cos

2

1 =

+ Tia 2: tia ngắn nhất d2 = L

Thời gian truyền của tia 1: θ 1 = d1/V

(Với V là vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi V = C/n1)

/ C

L V

2

2 1 2 1

n

n n n C

L C

Ln Cn

Ln t

n

n

n −

=

Thời gian chênh lệch trên mỗi loại sợi cũng chính là độ giản xung do tán sắc mode

1

8 n

C

L

t

2 1

n L

t D

2 1 e

Tán sắc do vật liệu được xác định bởi:

2

2 mod

) (

λ

λ λ

d

n d C m

D e = = −

)

(

n λ : triết suất lõi sợi

Độ tán sắc chất liệu cho biết mức độ giãn xung của mỗi mm bề rộng nguồn quang qua mỗi km sợi với đơn vị là PS/nm Km

23

+ Tóm lại: tán sắc xảy ra trong sợi quang bao gồm tán sắc mode và tán sắc thể Sợi quang mode chỉ có tán sắc thể vì trong sợi quang đơn mode chỉ truyền một tia sáng cho

nên không có tán sắc mode xẩy ra

Ddchr: chromatic dispersion.

2.3 Cấu trúc sợi quang.

Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding)

Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng

và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành phần giữa lớp lõi

và lớp vỏ bọc Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa

- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primany coating)

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Cấu trúc sợi quang.

Tán sắc của các loại sợi

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.

- Tránh xước gây nên vết nứt

- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi Lớp phủ này được nhuộm màu và thêm cácvòng đánh dấu

Thông thường đường kính lớp phủ thứ nhất là 250µm đối với sợi có đường kính lớp bọc là 125 µm

2.3.2 Lớp vỏ.

Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng có bọc và

sự thay đổi nhiệt độ

Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều.

Cấu trúc ống đệm

b Dạng đệm khít

Để đảm bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc mộtlớp vỏ ôm sát lớp như Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảmkích thước và trọng lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưỏng trực tiếp khi cáp

bị kéo căng, để giảm ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớpphủ và lớp vỏ Hình thức này gọi là cấu trúc đệm tổng hợp Sợi quang có vỏ đệm khít

và đệm tổng hợp thường được dùng làm cáp đặt trong nhà

Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp

c Dạng băng dẹt

Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vìmột sợi Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng

Nhược điểm: Có nhược điểm giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng

Cấu trúc băng dẹt.

2.4 Các linh kiện biến đổi quan

2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang.

Linh kiện biến đổi quang được đặt ở 2 đầu sợi quang

- Linh kiện biến đổi từ tín hệu điện sang tín hệu quang, được gọi là nguồn quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra áp suất có công suất tỷ lệ với dòng chạy của nó

- Linh kiện biến đổi tín hệu quang thành tín hệu điện gọi là linh kiện thu quang nó tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó Chất lượng các linh kiện này vào chất lượng của sợi quang quyết định chất lượng, cự ly của tuyến truyền dẫn quang

2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang.

a Đối với nguồn quang

Nguồn quan là những thiết bị thực hiện việc biến đổi tín hệu điện quang rồi phát ra

27

tín hệu vào đường truyền.

* Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát:

- Bước bóng nguồn phát phù hợp với bước sóng thông dụng như: 850nm, 1300nm, 1550nm

- Công suất phát sáng được phát ra không chỉ một bước sóng duy nhất là một khoảng bước sóng, do vậy gây nên hiện tượng tán sắc lớn, do vậy độ rộng phổ hẹp càng tốt

- Góc phát sáng càng nhỏ càng tốt

- Thời gian truyền: Để truyền tốc cao thời gian chuyển trạng thái phải nhanh

- Đổ ổn định: Máy phát quang phải có công suất ổn định mới đảm bảo độ trung thực của T/h

- Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ

b Đối với linh kiện tách sóng quang

- Bước sóng: Đối với bước sóng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm 1550nm,phải nhạy

- Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tách được các tín hiệu quang thật nhỏ với số lỗ bịt cho phép độ nhạy càng cao thì có thể mở rộng cự ly thông tin

- Đáp ứng nhanh: Để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ bít cao

- Dòng tốt nhỏ: khi chưa có tách sóng chiều vào nhưng linh kiện tách sóng quag vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng tốt

- Tạp âm: tạp âm càng thấp càng tốt sẽ đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N)

- Độ cậy cao, giá thành hạ

+ Vùng hoá trị

+ E: năng lượng điện tử

+ Ec: Mức năng lượng dẫn

+ Ev: Mức năng lượng hóa trị

+ Eg: Khe năng lượng

+ Nếu vùng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơi xuốngvùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với cổ trống

Trong khi dịch chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, nănglượng chênh lệch được bức xạ dưới dạng photon Như vậy khi một điện tử kết hợp vớimột cổ trống có thể làm bức xạ ra một photon đó là hiện tượng phát xạ tự phát được ứngdụng trong diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang

+ Hiện tượng phát xạ kích thích Là hiện tượng đặc biệt do ánh sáng được phát ratrong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang ở vùng dẫn cómức cao năng lượng xuống vùng hóa trị có mức năng lượng thấp tại hợp với các lỗtrống phát ra lượng ánh sáng mới Quá trình tái hợp đủ lỗ trống xảy ra liên tục làm chonăng lượng ánh sáng phát ra rất lớn

2.4.3 Nguồn quang

a Nguyên lý chung

Có 2 loại được dùng làm nguồn quang

- Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode)

- Diode laser hay LD

Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N Các đặc tính kỷthuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêng bươcsóng donguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang Mỗi chất bán dẫn có

bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau Mà Eg quyết định tần số và do đó quyết địnhbước sóng của năng lượng ánh sáng phát ra theo công thức

Eg =Hv = hcλ

Hay

) (

24 1

ev g

E Eg

c h

=

= λ

Trong đó:

H: hằng số planck = 6,625.10-34T.s

C: Tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108m/s

Eg: Bề rộng khe năng lượng (đơn vị ev)

V: Tần số ánh sáng phát ra (đơn vị Hz)

b Diot LD

Tiếp xúc bề mặt: Loại này dùng bán dẫn Ga As với nồng độ khác nhau để làm lớp

phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang LED tiếp xúc mặt có bước sóng công tác từ880-950µm

Cấu trúc LED tiếp xúc bề mặt

- LED Burrus

Đợc chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bán dẫn loại

N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau Với cấu trúc nhiều lớp và vạch tiếp xúc

P có kích thớc nhỏ vùng phát sóng của diode này tơng đối hẹp Ngoài bề mặt cókhoét đợc để đa quang vào gần vùng ánh sáng

31

Lớp P-Ga As(khuếch tỏn)

Lớp tiếp xỳc

Lớp tiếp xỳc P Lớp cỏch điện (Al2C3

Lớp P-Ga As(khuếch tỏn)

Lớp N- Ga As (nền)

Cấu trúc LED BurusLớp tiếp xúc P (đờng kính nhỏ)

Dựng In GAAS/InP thỡ bước súng phỏt ra dài hơn

- LED phỏt bước dài

Một loại LED phỏt bước súng dài (1300mm và 1550mm) dựng bỏn dẫn In GaASP/InP Dựng lớp nền InP dạng thấu Kớnh để ghộp vào sợi quang

LCD phỏt xạ rỡa: (ELED: Edge Light Emelting diode)

Lớp cỏch điện Al2O3

Lớp P -- lgna AsP

Lớp chống phản xạ

Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt

Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng không thể phát

ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớp tích cực rấtmỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 lớp PN có triết suất nhỏ hơn Cấu trúcnhư vậy giống như cấu trúc sợi quang Nên khi một trong 2 đầu ống dẫn sóng được nốivới sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất phép ánh sáng,vào sợi quang cao Tuy nhiên nó cũng có hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của ELEDtăng khá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt

Lớp tiếp xúc PCách điện

thường là laser Diode (LD) Các loại này có thể khác nhau những nguyên lý cơ bản lànhư sau: Hấp thụ photon phát xạ tự phát, phát xạ kích thích

Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản

Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích

Quá trình dao động dựa trên đặc tính của hộp cộng hưởng cho ra phổ bước sónggiới hạn hẹp đến mức tối đa

Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơn hẳn LEDnhưng do cấu tạo cũng như hoạt động phức tạp hơn Quá trình phát xạ tự phát của LDgiống LED Tuy nhiên mặt sau của LD được phủ một lớp phản xạ rất cao 99% còn mặttrước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánh sáng phát ra lan truyền như đangđược khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản

xạ lại hướng đột diện, ánh sáng lại được phản xạ tương tự mặt gương đối diện Bằngcách này trong khi lặp lại quá trình phản hồi (1 phần ánh sáng được khuyếch đại sẽ đượckết hợp với ánh sáng đầu vào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa) Khi dòng vào đủ lớnnăng lượng được khuếch đại bằng phát xạ cương bước trở nên lớn hơn suy hao do điện

tử hấp thụ ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ Tại thời điểm đó bắt đầu daođộng và tạo ánh sáng laser Dòng tại đó gọi là dòng ngưỡng Dòng ngưỡng phải nhỏ đểtránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt động liên tục ở công suất cao

Xét về hốc cộng hưởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gương phẳng songsong phản xạ ánh sáng Hốc cộng hưởng có nhiệm vụ tạo ra một dao động có tần số nhấtđịnh Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên độ phức, nghĩa là gồm độ lớn,pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúng với biên độ và pha sóng xuất phát nó

2.4.4 Tách sóng quang

1 Nguyên lý chung

Các linh kiện tách sóng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bán dẫn Cấu tạo củachúng cũng phát triển từ tiếp giáp PN Có 2 loại linh kiện tách sóng quang được sử dụnghiện nay:

- PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là 2 lớpbán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rấtthấp

- APD: (Avalanche photo diode) loại diode thu quang d có độ nhạy và hoạt động ởtốc độ cao

Nguyên lý chung của chúng về cơ bản giống nhau ở chỗ ánh sáng đưa vào miềntiếp giáp P-N được phân cực ngược tạo ra trong đó các tạp chất điện tử là trống để dịchchuyển nhờ điện trường ngạch tạo ra dòng quang đi

Sự hình thành các vùng khuếch tán điện tử và cổ trống của tiếp giáp P và N khiphân cực ngược Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài điện tử là hạt tải điện thiểu sốbên P và N cổ trống là hạt tải điện thiếu số bên N chuyển qua P tạo thành dòng quangđiện trên mạch ngoài Cường độ ánh sáng quyết định số lượng các hạt tải điện được tạora

2 Những thông số cơ bản

a Hiệu suất lượng tủ

Là tỉ số giữa số điện tử được tạo ra và số lượng photon hấp thụ của chất bán dẫn.hiệu suất được viết bởi công thức

% 100 n

Trong đó: ηlà hiệu xuất lương tử

ne: là số lượng điện tử được tạo ra

Mỗi chất bán dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức sóng ánh sáng nhất định vì hiệusuất lượng tử của từng chất bán dẫn thay theo bước sóng của ánh sáng.

Iph dòng quang điện có đơn vị là A

Ioph: Công suất quang có đơn vị là W

R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu là λ hoạt động theo công thức

24 , 1

) m ( hc

e

R(A¦/W =η λ =η λ µ

Trong đó: e Điện tích điện tử là e = 1,6.10-9 (hay As)

h: Hằng số planck: h= 6,625-10-34

c Độ nhạy

Đó là mức công suất ánh sáng nhỏ nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được với

tỷ số lồi BER theo tiêu chuẩn CCIII, BER = 10-10 Độ nhạy càng cao có khả năng tăng

cự ly thông tin

d Dải động

Là khoảng cách chênh lệch giữa mức công suất quang cao nhất và mức công suấtquang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được trong một giới hạn tỉ số lồi BERtheo tiêu chuẩn

T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k

Iq2= 2.e.R.Popt.B = 2e.Iph.B

- Tạp âm dòng tời là dòng điện chạy qua PIN khi chưa có ánh sáng chiếu vào nótạp âm do dòng tời được tính bởi công thức

ID2 =2e.iD.B

ID là dòng tời của diode phát quang

3 Diot thu PIN

Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N trong đó lớp I là lớp khôngpha tạp chất Quá trình hấp thụ phonton để tách ra các điện tử và cổ trống xảy ra tronglớp I Do đó lớp I càng dày thì hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử

sẽ càng chậm Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN

Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng và bán dẫn ánh sáng có

λ dài thì khả năng thâm nhập càng lớn

37

Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện (SiO2)

Lớp chống phản xạ P

I

N

Tiếp xúc kim loạiÁnh sáng

Cấu tạo của Mode thu quang PIN.

IS: Dòng bão hòa của diode

4 Diot thu APD.

Ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bán dẫn người ta chế tạo APD gồm 3 lớp là:

RS

Id

Iph = R Popt

P+, P-, PN-; Trong đó P+, PN- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao còn P- là lớp cónồng độ tạp chất thấp.

Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùngtiếp giáp PN- là cao nhất Vùng này gọi là vùng thác lũ Khi có ánh sáng chiếu vào cácphoton được hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Lỗ trống di chuyển vềphía lớp P+ nối cực âm của nguồn còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN- Điện trởcao trong vùng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử Điện tử va chạm vào các nguyên tử củatinh thể bán dẫn tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới Quá trình tiếp diễn và số lượngcác hạt tải điện tăng lên rất lớn Như vậy trong APD dòng quang điện đã được nhân lên

M lần với M là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp

Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là:

Iph = R M Popt

Trong đó: M: hệ số nhân

R: Đáp ứng (A/w)

Popt: Công suất quang (w)

Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực ngược và cũng phụ thuộc nhiệt độnên việc giữ cho hệ số nhân M ổn định rất khó khăn

Ngoài ra, nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số M cũng càng lớn Nhưng lúc đó thờigian trôi của điện tử càng chậm nên tốc độ hoạt động của APD giảm

Giá trị của hệ số nhân M từ 10 ÷ 1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực choAPD sao cho M = 50 ÷ 200 lần vì M càng lớn thì dòng nhiễu của APD cũng càng cao.Cấu tạo của một APD

5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD.

- Độ nhạy: Độ nhạy của APD lớn hơn độ nhạy của PIN từ 5 ÷ 15dB, tuy nhiên nếu

dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhạy của PIN - FET gần bằng độ nhạy của APD

- Điện áp phân cực: Điện áp phân cực của APD lớn hơn điện áp phân cực của PIN(APD khoảng Hà Nộiàg trăm vôn, PIN không dưới vài chục vôn)

- Dải động: Dải động của APD lớn hơn dải động của PIN và có thể điều chỉnhđược bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M

- Dòng tối của APD lớn hơn dòng tối của PIN

- Độ ổn định khi làm việc của APD nhỏ hơn PIN vì hệ số nhân của APD vừa phụthuuộc điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ

* Ưu điểm của 2 loại tách sóng quang PIN và APD trái ngược nhau không giốngnhư hai loại nguồn quang LED và Leser

Đặc tính kỹ thuật của leser tốt hơn LED về nhiều mặt trong khi đó APD chỉ hơnPIN về độ nhạy và tốc độ làm việc Các mặt hạn chế của APD là:

- Chế độ làm việc kém ổn định nên cần mạch điện phức tạp