Giới Thiệu Tổng Quan Về Thông Tin Quang Wdm.docx

Kh¸i NiÖm Chung Giới thiệu tổng quan về thông tin quang WDM Phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang wdm Lời nói đầu Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ[.]

Phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang wdm

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hơnbao giờ hết Trên thế giới bước vào thời đại cạnh tranh trong lĩnh vực thôngtin Cùng với sự phát triển của thế giới, Việt Nam đang ngày một hoà nhập vàtiếp cận tương xứng với các nước trong lĩnh vực thông tin, viễn thông Cácmạng thông tin điển hình có cấu trúc điển hình gồm có các nút mạng được tổchức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục,sóng viba, thông tin vệ tinh Nhu cầu truyền thông ngày càng tăng trong khicác mạng truyền dẫn như trên không thể đáp ứng được nhu cầu vì những lý dokhác nhau

Cách đây hơn 20 năm hệ thống truyền dẫn thông tin bằng cáp sợi quang đãchính thức đưa vào khai thác hoạt động trên mạng viễn thông Đây là một hệthống truyền thông có khả năng đáp ứng được các yêu cầu hiện nay với các ưuđiểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin xa, không bị ảnh hưởng của sóngđiện từ khả năng bảo mật thông tin cao giá thành có thể chấp nhận Các hệthống thông tin cáp sợi quang không chỉ đáp ứng được trong lĩnh vựu viễnthông mà còn có tiềm năng to lớn thực hiện các chức năng của mạng nội hạt

và đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ trong hiện tại và tương lai

Đối với Việt Nam, để đáp ứng được nhu cầu sử dụng cũng như tiến kịp cácnước tiên tiến trên thế giới trong lĩnh vực viễn thông, Ngành Bưu Điện ViệtNam đã hoàn thành số hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và dưavào sử dụng hệ thống truyền dẫn Quốc Gia 2.5Gbit/s với cấu hình ring Vàhiện nay còn đang phát triển thêm rất nhiều dịch vụ mới có sử dụng hệ thốngtruyền dẫn cáp sợi quang

Tuy nhiên, Việt Nam vẫn còn là một nước nghèo lại đứng trước thử tháchlớn là: phải nâng cấp hạ tầng cơ sở viễn thông theo hướng ứng dụng công nghệtruyền dẫn quang hoá- loại hình mới có giá thành rất cao Tiêu chí là phát triểntheo phương thức đón đầu công nghệ mới nhưng giá thành phải ở mức có thểchấp nhận được đối với nền Kinh tế Quốc dân.

Là một sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông, thời gian sắp tới sẽ là kĩ sưhoạt động trong lĩnh vực này nên em nhận thức sâu sắc rằng để đạt đượcnhững mục tiêu trên thì cần phải có những hiểu biết đầy đủ và rõ ràng về hệthống, tính năng thiết bị, cách khai thác thiết bị tối ưu nhất trên cơ sở vật chấthiện có

Chương i : Giới thiệu về thông tin quang

Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng của các ứng dụng trênInternet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh đã đòi hỏi băng thông ngàycàng cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp.Các hệ thống thông sợi quang với thuận lợi về băng thông (tần số sóng mang

cỡ 200THz), trọng lượng và kích thước nhỏ; tín hiệu cách biệt về điện, không

có giao thoa cũng như suy hao đường truyền thấp Những ưu điểm đó đãđược phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn hiện nay

Để tận dụng được những ưu điểm trên (đặc biệt là độ rộng băng tần của sợiquang), việc phân luồng (định tuyến) và chọn lựa (gán) bước sóng hợp lý chotín hiệu đến - đi trên các tuyến sợi quang là công việc rất có ý nghĩa nhằmphát huy năng lực tiềm tàng của sợi trong việc tăng dung lượng đườngtruyền

Trên thế giới mạng WDM đã được thương mại hoá từ năm 1996 Xu thếphát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt nam là xây dựng mạngtruyền tải toàn quang cho mạng NGN (Next Generation Network- Mạng thế

hệ sau) dựa trên công nghệ WDM Những nỗ lực phi thường về công nghệtruyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công

nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu pháttriển mạng tất yếu của mạng Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạngWDM nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng

Nơi tín hiệu đi Thiết bị phát Môi trường truyền dẫn Thiết bị thu Nơi tín hiệu đến

1.1 Khái quát chung

Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng

để báo hiệu Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thứcthông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành hệ thống thôngtin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc đượcvới nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng ở trình độ phát triển cao về thôngtin như hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã nổi lên và là hệ thống thôngtin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thôngcác nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và các cự lytruyền dẫn phong phú, bảo đảm chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất

Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thôngtin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôntuân thủ theo hệ thống thông tin chung như hình 1.1 Đây là nguyên lý thôngtin mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thôngtin Trong sơ đồ này tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyềndẫn tương ứng và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền Như vậy, tín hiệu đãđược thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến Đối với hệthống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi dẫn quang,

nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin

1.2 Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Vào năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ramột thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụngdải tần số ánh sáng Theo lý thuyết thì nó cho phép con người thực hiện thôngtin với lượng kênh rất lớn vượt gấp nhiều lần các hệ thống viba hiện có.Hàngloạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau

đó Một số kết quả ban đầu đã thu được nhưng tiếc rằng chi phí cho các côngviệc này quá tốn kém, kinh phí tập trung cho việc sản xuất các thành phần thiết

bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết (mưa, sương mù, tuyết,

bụi ) gây ra là con số khổng lồ Chính vì vậy chưa thu hút được sự chú ý củamạng lưới.

Một hướng nghiên cứu khác cùng thời gian này đã tạo được hệ thốngtruyền tin đáng tin cậy hơn hướng thông tin qua khí quyển ở trên là sự phátminh ra sợi dẫn quang Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù cósuy hao rất lớn (tới khoảng1000dB/km) đã tạo ra được một mô hình hệ thống

có xu hướng linh hoạt hơn Tiếp sau đó, năm 1966 Kao, Hockman và Werts đãnhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là do tạp chất có trong vậtliệu chế tạo sợi gây ra Họ nhận định rằng có thể làm giảm được suy hao củasợi và chắc chắn sẽ tồn tại một điểm nào đó trong dải bước sóng truyền dẫnquang có suy hao nhỏ Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20dB/km tạiCorning Glass vào năm 1970 Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầuchế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thốngtruyền dẫn bằng cáp đồng Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiêncứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời Cho tới đầu nhữngnăm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khárộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạtđược dưói mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154dB/km tại bước sóng1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơnhai thập niên qua Giá trị suy hao này đã gần đạt tới tính toán lý thuyết cho cácsợi đơn mốt là 0,14dB/km Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thuquang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểmtrội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại là:

- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ

- Băng tần truyền dẫn rất lớn

- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin

- Có kích thước và trọng lượng nhỏ

- Sợi có tính cách điện tốt

- Tin cậy và linh hoạt

- Sợi được chế tạo từ vật liệu rất có sẵn

Do có các ưu điểm trêm mà các hệ thống thông tin quang được áp dụngrộng rãi trên mạng lưới Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đườngtrục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng

thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trongcác cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt Đại Tây Dương,… Các hệthống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số khôngloại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mĩ, Châu Âuhay Nhật Bản, xem bảng 1.1.

Phân cấp

Tốc độ bit Mbps

Số kênh thoại

Tốc độ bit Mbps

Số kênh thoại

Tốc độ bit Mbps

Số kênh thoại

Bảng 1.1- Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mĩ, Châu Âu và Nhật Bản

Ngoài các tốc độ trên, có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những nămgần đây gọi là SONET (synchronous Optical Network), tốc độ truyền dẫn ởđây có hơi khác chút ít, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một lưulượng ghép kênh số trên sợi quang Khối cấu trúc cơ bản đầu tiên của phân cấptín hiệu SONET gọi là “tín hiệu truyền đồng bộ cấp 1” và có tốc độ 51.84Mbitps Các tín hiệu cấp cao hơn là tín hiệu OC-N sẽ có tốc độ đường truyềngấp N lần tín hiệu OC-1 Bảng 1.2 dưới đây là các mức OC-N của SONET

Tốc độ

truyền

Mbitps

51.84 155.52 466.56 622.08 933.12 1244.16 1866.24 2488.32

Bảng 1.2- Các mức phân cấp tín hiệu SONET

Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thếgiới, chúng đáp ứng tất cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyềntất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầucủa mạng số hoá liên kết đa dịch vu ISDN Số lượng cáp hiện nay được lắp đặttrên thế giới với số lượng rất lớn., ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự likhác nhau, các cấu trúc da dạng Các hệ thóng thông tin quang sẽ là mũi độtphá về tốc độ, cự li truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễnthông cấp cao

Chương ii : Cơ bản kĩ thuật thông tin cáp sợi quang

Chương này giới thiệu sơ lược một số thông tin cơ bản về kĩ thuật thông tincáp sợi quang Phần đầu chương sẽ trình bày về sợi quang, một số tham số cơbản, suy hao và tán sắc Từ tán sắc mode trong sợi đa mode hạn chế rất lớnđến đường truyền, người ta đưa ra sợi chiết suất giảm dần và tối ưu nhất là sợiđơn mode Tuy nhiên, lúc này một số loại tán sắc khác như tán sắc vật liệu, tánsắc ống dẫn sóng và tán sắc phân cực vẫn tồn tại nên cần phải nghiên cứu vàtìm ra các phương cách khắc phục, loại trừ Phần sau của chương đề cập tớithiết bị được dùng trong mạng WDM Một số linh kiện chính, quan trọngtrong mạng như nguồn quang, bộ tách quang, bộ khuếch đại quang (đặc biệt làEDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng WDM với các đặc tính phù hợpvới mạng hiện tại) Để mạng WDM tồn tại và hoạt động tốt, cần có các thànhphần khác như OADM, chuyển mạch quang hay nối chéo số…

2.1 Sợi dẫn quang:

2.1.1 Giới thiệu về cáp sợi quang:

2.1.1.1 Bản chất của ánh sáng:

Một cách chung nhất, có thể coi ánh sáng là một chùm các phần tử hạt rấtnhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng Các phần tử này được hình dung nhưđang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốtnhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục Quan điểm này đã mô tảđược đầy đủ các hiệu ứng của quang học trong một phạm vi riêng nào đó , ví

dụ như các hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khidùng thuyết này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa , tuy nhiênhiện tượng nhiễu xạ và giao thoa chỉ là hãn hữu Năm 1864, Maxwell đãchứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ.Hơn thế nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyểnđộng của sóng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóngánh sáng là sóng ngang Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang thì sóngđiện từ được phát ra từ một nguồn nhỏ có thể được đặc trưng bởi một loạt cácmặt sóng hình cầu mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này Mặt sóng đượcxác định bởi quỹ tích tất cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha

Sợi dẫn quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần sốquang, như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn ánh sánglan truyền theo hướng song song với trục của nó Để bảo đảm được sự lantruyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm có một lõi hình trụlàm bằng vật liệu thuỷ tinh có chỉ số chiết xuất n1 lớn và bao quanh lõi là một

vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết xuất n2<n1 Sự lan truyền củaánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn đượcgọi là các mode trong sợi Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trườngđiện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tươngđương với bước sóng Chỉ có một vài mode riêng biệt nào đó là có khả năngtruyền dọc theo suốt chiều dài sợi trong số nhiều mode được ghép vào tại đầusợi Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trường truyền ánh sáng nhưng nó làmôi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài,tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi

Vật liệu cấu tạo lõi thông thường là thuỷ tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thuỷtinh hoặc chất dẻo trong suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu như vậy thường cósuy hao nhỏ và trung bình Loại sợi có lõi là chất dẻo thường có suy hao lớn.

Để tránh cọ trầy sước vỏ và tăng độ bền cơ học, sợi dẫn quang thường đượcbao bọc thêm một lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động

cơ học vào sợi., gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng,kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt, mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cápsau này Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp

Như đã đề cập ở các phần trên, ta đã biết rằng sợi dẫn quang rất nhỏ vàmảnh, vật liệu chế tạo chủ yếu lại là thuỷ tinh càng gây một ấn tượng sợi rất dễdàng bị gẫy vỡ; ta có cảm giác như nó không có khả năng chịu nổi một tácđộng cơ học nhỏ nào Nhung trong thực tế hiện nay, sợi dẫn quang lại có thểchịu được những ứng xuất và lực căng trong quá trình bọc cáp, quá trình lắpđặt cũng như khai thác ở môi trường khác nhau trên mạng lưới viễn thông Vìvậy, ngoài các đặc tính truyền dẫn của sợi dẫn quang, các đặc tính cơ học của

nó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình đưa vào khai thác các hệ thốngthông tin quang các đặc tính cơ học đặc trưng cho sợi dẫn quang được thểhiện ở lúc chế tạo cáp, lắp đặt cáp và trong suốt thời gian cáp được khai thác.Trong lúc bọc cáp và lắp đặt trên tuyến, tải trọng tác động vào sợi có thể ởdạng xung lực hoặc thay đổi từ từ Khi mà cáp được khai thác trên tuyến, cáctải trọng lúc này thường thay đổi rất chậm có thể do ảnh hưởng của nhiệt độthay đổi, sự bất ổn định của môi trường lắp đặt

Khẩu độ số :

Làm sao chúng ta có thể hướng tia sáng vào sợi quang sao cho dưới góctruyền tới hạn? ánh sáng phát ra từ nguồn sáng, như LED hay LD, bên ngoàisợi, do đó cần phải hướng nó vào sợi quang Hình dưới đây thể hiện cho thấyánh sáng được đưa vào sợi quang như thế nào

Light Source

Hình 2.1.1.1 Đưa ánh sáng vào sợi quang

Tại phân cách khoảng không-sợi quang, tia a là tia tới còn là tia c đượcđưa vào cũng là tia khúc xạ tại mặt phân cách đó Quan hệ giữa chúng đượcbiểu thị thông qua định luật Snell:

na sina = n1 sinc na (1) Nếu khoảng trống giữa sợi quang và nguồn quang là không khí thì na xấp xỉ giá trị 1 (na =1.0003) Do đó:

sina = n1 sinc na (2) Như vậy, để giữ ánh sáng trong sợi quang (các tia sáng chỉ phản xạ nộitrong sợi) thì tất cả các tia phải truyền ở góc tới hạn c hay nhỏ hơn Để duy trìánh sáng bên trong sợi, ta phải hướng tia sáng từ nguồn quang tới góc a hoặcnhỏ hơn

Rõ ràng có thể thấy rằng, góc a là góc không gian ánh sáng sẽ được đưavào trong sợi nếu nó đi nguồn sáng tới nằm trong góc khối 2a

Đường chấm chấm trong hình trên biểu thị tia tới từ bên ngoài vào sợiquang có góc tới vượt quá góc a cho nên nó sẽ truyền trong sợi quang với góctruyền vưọy quá góc truyền tới hạn c và khi đó nó sẽ mất mát khi di chuyểntrong sợi quang

Từ đó người ta đưa ra khái niệm khẩu độ số (NA) để miêu tả khả năng tậphợp ánh sáng từ nguồn quang của sợi quang và khả năng duy trì hay giữ choánh sáng bên trong sợi quang khi phản xạ nội bên trong

Hay NA=sin θ =√(n )2−(n )2 (4)

Từ đó ta cần phải hiểu về NA chỉ là giá trị mà chúng ta có thể tìm thấy trongdatasheet sợi quang Điều ta cần nhớ là ý nghĩa của NA: nó thể hiện điều kiệncủa tổng phản xạ bên trong sợi quang, đó cũng chính là điều kiện cần nếu tamuốn sử dụng sợi quang trong thông tin viễn thông.

Liệu chúng ta có muốn thay đổi dược NA? Câu trả lời là có, bởi đối vớinhững ứng dụng khác nhau của cáp sợi quang, có thể cần thiết sử dụng nhữngsoải quang có những giá trị NA khác nhau Từ công thức trên, muốn thay đổi

NA thì phải thay đổi n1 hoặc n2 Tuy nhiên, kĩ thuật thông tin cáp sợi quang lạikhông hoạt động cùng các chỉ số chiết suất mà với sự khác nhau giữa chúng

n Tại sao không phải là n1 hay n2 quan trọng mà lại là n? Chúng ta định

Chỉ số chiết suất quan hệ thường được sử dụng, hay còn gọi là chỉ số quan

hệ, được định nghĩa như sau:

được gọi là chỉ số chiết suất trung bình

Giá trị mà chúng ta nhận được rất nhỏ vì giá trị của n1 rất gần giá trị n2 Qua đó, người ta đưa ra cách tính khác cho NA:

Biểu thức này cho thấy là không phải giá trị của n1 và n2 mà là tổng và sựkhác nhau giữa chúng mới quan trọng Do đó, để thay đổi NA, cần thay đổi 

và n

Góc tới tới hạn và góc truyền tới hạn:

Chúng ta phải phân biệt được sự khác nhau giữa chúng: Góc truyền tới hạn

c là góc giữa tia sáng với đường trục của sợi quang còn góc tới tới hạn 1c làgóc giữa tia sáng với đường vuông góc với đường bao giữa lõi và vỏ sợiquang

Hình 2.1.1.2 Góc truyền tới hạn  c và góc tới tới hạn  1c

Tại sao góc truyền tới hạn c lại quan trọng? Giả định rằng tia sáng vào sợiquang tại góc =10o>c, lúc đó =10o>1c có nghĩa là điều kiện tổng phản xạnội bị vi phạm Do đó, tia tới sẽ được chia làm hai phần: tia phản xạ, còn đượcgiữ lại trong lõi sợi và tia khúc xạ, bị mất Tia này là tia có >c được mô tảnhư hình trên với đường đứt nét Rõ ràng, tia sáng đập vào ranh giới giữa lõi

và vỏ hàng triệu triệu lần khi truyền trong sợi quang; do đó, nếu nếu một phầnrất nhỏ của sợi quang bị mất mát bởi khúc xạ mỗi lần tia đập vào biên thì tiasáng sẽ bị suy hao hoàn toàn sau một quãng đường ngắn Đây là suy haokhông thể chấp nhận được Vì vậy, tổng phản xạ nội là điều kiện cần thiết đốivới viếcử dụng sợi quang cho mục đích truyền thông tin Góc truyền tới hạn cthể hiện sự cần đạt được của điều kiện này

Từ đây, chúng ta có thể quên đi góc tới tới hạn 1c bởi nó không được ứngdụng trong kĩ thuật thông tin quang Chúng ta chỉ quan tâm tới góc truyền cbởi nó cho biết chúng ta có thể đưa trực tiếp từng nào ánh sáng vào sợi quang Góc truyền tới hạn c được xác định bởi hai chỉ số chiết suất lõi và vỏ:

Mật độ tia sáng không có đường biên nên tia sáng trải rộng không xác định.

Do đó không đo được phân bố mật độ tia Như thường lệ trong trường hợpkiểu như vậy, người ta đưa ra cách đo qui ước Đó là đường kính trường modeMFD=2w0: đường kính trường mode là kích thước vùng mặt cắt 2w0 ở đó mật

độ của tia giảm xuống 1/e2=0.135 giá trị đỉnh của nó

I(r)=I(0)/e2= 0.135 I(0) (10a)Phân bố theo mô hình Gaussian là mô hình phổ biến nhất bởi nó rất gần vớikết quả đo được

Hình 2.1.1.3.Phân bố mật độ tia trong sợi đơn mode

MFD:

Trong sợi đa mode, chúng ta cần phải biết đưòng kính lõi bởi tất cả ánhsáng là ở trong lõi còn trong sợi đơn mode thì lại không như vậy (xem hình 3).Một phần ánh sáng (khoảng 20%) được mang bởi vỏ do đó đường kính lõi chỉ

là tham số phụ Một điều quan trọng là MFD phụ thuộc vào bước sóng hoạtđộng Đó là bởi tia sáng với bước sóng ngắn sẽ phát xạ ánh sáng mạnh (rõ rệt)hơn nên là dòng photon tập trung hơn và do đó cũng sẽ chứa lượng ánh sángbên trong lõi nhiều hơn Thuộc tính này được mô tả bởi MFD

Bước sóng cắt:

Điều kiện cắt được định nghĩa bởi tần số hay bước sóng ánh sáng Tần sốcàng thấp, bước sóng càng dài, góc truyền  càng lớn, góc tới  càng nhỏ Khicác góc đạt tới giá trị tới hạn, tần số cắt hay bước sóng cắt đạt được

λ c=[(2 π an)/V ]√2 Δ

(11)Trong sợi đơn mode:

λ c≤(πd√(n1)2−(n2)2)/ 2 405 (11a)

hay λ c≤1.306 dNA

Đó là bước sóng ngắn nhất mà sợi quang hỗ trợ cho đơn mode hoạt động.Nếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn c thì sẽ có nhiều hơn một mode truyềntrong sợi quang Hay nói cách khác, một sợi quang có thể là đơn mode hay đamode phụ thuộc bước sóng hoạt động

2.1.2 Suy hao:

Suy hao trên sợi quang đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệthống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Trên mộttuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợiquang, giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu sợi quangcũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bịuốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suyhao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng nhờ một số biện phápkhác nhau Vấn đề ta xét hiện nay là suy hao bản chất bên trong của sợi Trongquá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao vàlàm cho tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự li lan truyền ánh sáng nào đó Cơ chếsuy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ

và suy hao do bức xạ ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ cóliên quan tới vật liệu sợi trong đó bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vậtliệu, hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới vật liệu sợi và tínhkhông hoàn hảo về cấu trúc sợi Suy hao do bức xạ là do tính xáo trộn về hìnhhọc của sợi gây ra

Suy hao sợi được xác định bằng tỉ số công suất quang đầu ra Pout chiều dài

L với công suất quang đầu vào Pin Tỉ số công suất này là một hàm của bướcsóng Suy hao được tính theo công thứ sau:

>C C

(a)

(b)

Hình 2.1.2.1 Hiện tượng ánh sáng đi ra khỏi lõi sợi quang trong trường hợp

(a) Suy hao uốn cong vĩ mô, (b) Vi uốn cong

Suy hao uốn cong sợi là ngoài bản chất của sợi Khi bất kì sợi dẫn quangnào đó bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiệntượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền tronglõi sợi đã bị suy hao Có hai loại uốn cong sợi là:

- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặclớn hơn đường kính sợi, chẳng hạn trường hợp ta uốn sợi theo một góc nào đó

- Vi uốn cong: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này do

sự không hoàn hảo trong cấu trúc hình học giữa tiếp giáp lõi và vỏ sợi

Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy được khi goc tới lớn hơn góctới hạn ở vị trí sợi bị uốn cong Đối với trường hợp suy hao sợi bị uốn cong ít,giá trị suy hao ít và khó có thể thấy được Khi bán kính uốn cong giảm dần,suy hao sẽ tăng theo qui luật hàm mũ cho tới khi bán kính đạt tới giá trị tới hạnnào đó thì suy hao uốn cong thể hiện rất rõ Nếu bán kính nhỏ hơn giá trị điểmngưỡng này thì suy hao sẽ đột ngột tăng lên rất lớn Một dạng khác của suyhao do tán xạ trong sợi dẫn quang suy hao do vi uốn cong ngẫu nhiên sinh ra

Vi uốn cong là sự dao động lặp đi lặp lại trong phạm vi nhỏ của trục sợi,

Wavelength (nm) Suy hao cơ bản

Suy hao thêm đo vi uốn cong

Suy hao thêm do uốn cong

2 Bending Loss (dB/m)

ba là nhỏ hơn cửa sổ thứ hai nhưng lại chịu ảnh hưởng của suy hao uốn conglớn hơn(xem hình dưới)

Hình 2.1.2.2 Suy hao do uốn cong ở bước sóng 1300nm trên sợi đơn mode Hình 2.1.2.3 Sự tăng suy hao theo uốn cong trên sợi đơn mode

tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán

xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấpvới kích thước của cơ cấu tán xạ Trong thực tế, suy hao này àm giảm đi mộtphần tư công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làm việc ở bước sóng dàingày càng được quan tâm hơn

2.1.2.3 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang:

điện tử

Tán xạ Rayleigh

- Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố nổi trội trong sợi dẫn quang là sự có mặt củatạp chất có trong vật liệu sợi Trong sợi thuỷ tinh thông thường, các tạp chấtnhư nước và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó làcác ion sắt, crom, coban, đồng, và các ion OH(nước) Sự có mặt của các tạpchất này làm suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi làm bằng thuỷ tinh như cáclăng kính thông thường thì suy hao đạt tới vài nghìn dB/km Các sợi dẫnquang trước đây với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỉ(ppb) có suy khoảng 1đến 10dB/km Sự có mặt của các phân tử nước làm cho suy hao trội hẳn lên.Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2.7m và cùng với cáctác động qua lại của cộng hưởng Si tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400, 950 và750nm như hình dưới đây Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó làcác cửa sổ truyền dẫn 850, 1300, 1550nm mà hệ thống thông tin đã sử dụng đểtruyền tín hiệu ánh sáng

Hình 2.1.2.4 Các đặc tính suy hao theo bước sóng

Để giá trị suy hao xuống thấp hơn 20dB/km, sự có mặt của nước phải íthơn vài phần tỉ Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạo sợi bằng phương phápMCVD Các phương pháp cho phép chế tạo sợi khác cho phép làm giảm thấphơn nữa hàm lượng nước là VAD, VPAD, cho phép tạo ra sợi có sự tập trungion OH dưới 0.8ppb Với mức tạp chất này, đường cong suy hao sẽ trơn lên vàkhông còn tồn tại các đỉnh và khe suy hao nữa, kết quả là tạo ra suy hao sợinhỏ hơn 0.2dB/km tại bước sóng 1550nm

- Hấp thụ vật liệu: Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài sẽ cho suyhao nhỏ hơn, quan điểm này hoàn toàn chính xác Nhưng các liên kết nguyên

tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trườnghợp này gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kếthấp thụ nằm bên ngoài bước sóng vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấpthụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở đây nó kéo dài cho tới bước sóng 1550nmlàm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể

- Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do cácphoton kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượngcao hơn (mặc dù đây là một dạng của hấp thụ vật liệu nhưng tác động qua lạixảy ra trong phạm vi nguyên tử, quan điểm này chính xác hơn là trong phạm

vi phân tử) Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệukhông kết tinh và kết tinh sẽ có quan hệ sau:

uv=CeE/E0gọi là định luật Urbach C và E0 là các hằng số rút ra từ kinh nghiệm, E lànăng lượng của photon Vì E tỉ lệ nghịch với bước sóng cho nên đặc tính hấpthụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng Nhưchỉ ra trong hình trên, suy hao cực tím là nhỏ hơn so với suy hao do tán xạtrong vùng gần hồng ngoại Đối với Si, đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng0.14m, tuy nhiên đuôi hấp thụ của nó kéo dài tới khoảng 1m, vì vậy cũnggây suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn

2.1.3 Tán sắc:

2.1.3.1 Tán sắc mode:

Như đã đề cập, khẩu độ số đặc trưng cho khả năng đưa ánh sáng vào sợiquang và duy trì ánh sáng bên trong sợi quang Khẩu độ số càng lớn thì lượngánh sáng có thể đưa vào và giữ trong sợi quang càng lớn Như vậy, chúng tamong muốn có được khẩu độ số càng lớn càng tốt Tuy nhiên điều này khôngđúng Có trở ngại làm cho không thể làm khẩu độ số lớn hơn ánh sáng truyềntrong sợi quang chỉ là một tập các tia sáng riêng rẽ Nói cách khác, nếu chúng

ta có thể nhìn vào trong sợi quang, ta sẽ thấy tập các tia sáng này truyền vớicác góc khác biệt nhau từ 0 tới c Các tia khác nhau này gọi là các modes.Chúng ta phân biệt các mode này bởi góc truyền của chúng và sử dụng từ bậc

để chỉ rõ mode đó Góc truyền càng nhỏ thì mode có bậc càng thấp Do vậy,mode truyền theo trục của sợi có bậc nhỏ nhất –bậc không và mode truyền với

gọi là mode cơ bản) Sợi quang có nhiều mode truyền bên trong sợi gọi là sợi

đa mode

Số modes:

Có bao nhiêu modes sợi quang có thể mang được phụ thuộc vào các đặctính quang và hình học của sợi quang Số lượng modes bên trong một sợiquang nhất định tỉ lệ thuận với đường kính sợi d, khẩu độ số NA, và tỉ lệnghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng  Số modes có trong sợi quang được

là chỉ số chiết suất quan hệ

Đối với số V có giá trị lớn (V>20) thì biểu thức sau áp dụng cho sợi đamode chiết suất bậc:

N=V2 /2 Đối với sợi chiết suất giảm dần:

N=V2 /4

Sự quan trọng của modes:

Tại sao chúng ta cần biết về modes trong sợi quang? Đó là bởi ánh sáng khi

đi vào sợi quang bị chia thành một tập các modes và lúc này, tổng công suấtánh sáng mang bởi các modes riêng rẽ; tại đầu thu, các phần nhỏ này sẽ kếthợp lại với nhau để tạo ra tia đầu ra với công suất của nó

Tán sắc mode:

Xung bị giãn rộng gây ra bởi cấu trúc mode của tia sáng bên trong sợiquang gọi là tán sắc mode Để biết rõ tại sao các xung riêng lẻ tới bộ thu tạicác thời điểm khác nhau, ta làm một vài phép tính toán sau

Mode bậc không truyền dọc theo trục cần thời gian sau để có thể tới bộ thu:

t0=L/v Với L là chiều dài tuyến, v=c/ n1 là tốc độ của ánh sáng trong lõi chiết suất

n1 Mode bậc cao nhất cần thời gian:

tc=L/(vcosc) Chúng ta có công thức độ giãn xung từ tán sắc mode:

c 1 0

L

1 c

t b)

Hình 2.1.3.1 Tán sắc mode trong sợi đa mode:

a Xung gốc, b Modes trong sợi quang,

20

Relative index (%)

125 m 62.5 m

1

31.25

31.25 0 62.5

62.5

Radius (m)

c Xung đưa ra bởi các mode riêng rẽ, d Xung đầu ra

Xem hình dưới ta thấy: chiết suất của sợi loại này biến đổi từ n1 ở lõi đến n2

ở biên vỏ Mode bậc cao sẽ truyền từ chỉ số chiết suất cao cho đến thấp dọctheo đường đi của nó

Sợi chiết suất giảm dần giảm tán sắc mode được bao nhiêu?

Từ cấu trúc nói trên có thể dễ dàng thấy rằng tán sắc mode giảm nhiều khi

sử dụng loại sợi này và tốc độ bit tăng lên.Độ giãn xung lúc này là:

tGI=(LN12)/(8c)Với  là chỉ số quan hệ, c là tốc độ ánh sáng trong chân không, N1 là chỉ sốchiết suất nhóm của lõi

Ngày nay, sợi chiết suất giảm dần được ứng dụng làm phương tiện truyềndẫn chủ yếu trong các mạng có khoảng cách ngắn và trung bình

2.1.3.3 Sợi đơn mode:

Cấu trúc của sợi đơn mode:

Các công thức (1) và (2) cho thấy số modes phụ thuộc trực tiếp vào đườngkính d của lõi và các sự khác nhau giữa chỉ số chiết suất n1 và n2 Do vậy cáchđơn giản nhất để giảm số modes là giảm chỉ số chiết suất quan hệ

Công thức (2) ở trên tính số modes chỉ trong trường hợp N>20 cho nên để

áp dụng tìm điều kiện cho sợi đơn mode thì không thể áp dụng công thức đóđược Điều kiện đơn mode trong thực tế là :

V<=2.405

Xem xét vấn đề tán sắc mode: hình 1.3.4

Hình 2.1.3.2 S i có ch s chi t su t gi m ợi có chỉ số chiết suất giảm ỉ số chiết suất giảm ố chiết suất giảm ết suất giảm ất giảm ảm

d n ần

9 m 0.25 0

4.5 4.5 0 62.5

số vấn đề khác khi cài đặt và hoạt động Tuy nhiên, hiện sợi đơn mode lại làthông dụng nhất trong mọi loại tuyến cáp quang sử dụng trong viễn thông đặcbiệt trong các tuyến đường dài

Hình 2.1.3.3 Sợi chiết suất phân bậc đơn mode

125

m

t

t

Hình 2.1.3.4 Tán sắc trong ba loại sợi quang

2.1.3.4 Tán sắc sắc thể:

Tán sắc mode không phụ thuộc vào băng tần hay tốc độ bit Ngoài ra còn

có một loại tán sắc khác nữa là tán sắc sắc thể Từ sắc thể có quan hệ tới màusắc Tia sáng tới bộ thu tại những thời gian khác nhau gây ra hiện tượng giãnxung Trong sợi đa mode, điều đó gây ra bởi các modes Còn trong sợi đơnmode ta cũng sẽ gặp phải vấn đề này khi mode duy nhất của loại sợi này chứacác loại màu sắc khác nhau Tia sáng chứa một vài bước sóng bởi trong tựnhiên khồng có nguồn sáng nào có thể phát xạ ra một loại ánh sáng Và điểmcần chú ý ở đây là chỉ số chiết suất vật liệu phụ thuộc vào bước sóng n=n()hay đối với mỗi bước sóng sẽ có một chỉ số chiết suất tương ứng Mà tốc độtruyền v=c/n, do đó các ánh sáng truyền trong sợi quang với các tốc độ khácnhau Thậm chí với những ánh sáng cùng truyền trên một path, chúng cũng sẽtới bộ thu ở những thời gian khác nhau Kết quả là gây ra giãn xung ở đầu ra

Hiện tượng này được gọi là tán sắc sắc thể Tán sắc sắc thể đóng vai trò quantrọng trong hạn chế băng tần của sợi đơn mode.

Tính toán độ giãn xung:

Tổng độ giãn xung trong sợi đa mode:

Δt total=√Δt2modal+Δt chrom2

Tốc độ bit và băng tần:

Định nghĩa tốc độ bit và băng tần:

Tốc độ bit (hay tốc độ dữ liệu) là số bit có thể truyền được trong một giâyqua một kênh Nó được đo băng bit/s và thường được dùng trong truyền dẫn

số Nó cũng thường được gọi là tốc độ truyền tin Băng tần là khoảng tần sốtrong đó tín hiệu có thể được truyền đi mà chưa bị suy hỏng nghiêm trọng Nóđược đo bằng Hz và thường được dùng trong truyền dẫn tương tự

- Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, còn gọi là linh kiệntách sóng quang (hay linh kiện thu quang) Linh kiện này có nhiệm vụ ngượclại so với nguồn quang , tức là tạo ra dòng điện tỷ lệ với công suất quang chiếuvào nó

Chất lượng của linh kiện biến đổi quang điện và chất lượng sợi quangquyết định cự ly, dung lượng và chất lượng của tuyến truyền dẫn quang

Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện quang điện:

Đối với nguồn quang:

- Bước sóng của ánh sáng phát ra: Mức độ suy hao của ánh sáng truyền

trên sợi quang phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng Có ba bước sóng thôngdụng là 850nm, 1300nm, 1550nm Do đó ánh sáng do nguồn quang phát racũng phải có bước sóng phù hợp

- Thời gian chuyển: Để có thể truyền được tín hiệu số có tốc độ bit càng

cao thì thời gian chuyển trạng thái của nguồn quang phải càng nhanh

- Công suất phát: Cự ly thông tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó công

suất phát của nguồn quang là một trong những yếu tố chính Công suất phátcàng lớn thì cự ly thông tin càng xa

- Độ rộng phổ: ánh sáng mà nguồn quang thực tế phát ra không phải là chỉ

có một bước sóng duy nhất mà gồm một khoảng bước sóng Khoảng sóng nàycàng rộng thì độ tán sắc chất liệu càng lớn do đó làm hạn chế dải thông củatuyến truyền dẫn quang Như vậy độ rộng phổ của nguồn quang càng hẹp càngtốt

- Góc bơm ánh sáng: Như ta đã biết đường kính lõi của sợi quang rất nhỏ

nếu kích thước của nguồn quang lớn và góc bơm ánh sáng rộng và công suấtphát quang vào được lõi sẽ rất thấp Do đó nguồn quang có vùng phát sáng vàgóc phát sáng càng hẹp càng tốt

- Độ ổn định: Công suất quang mà các nguồn quang thực tế phát ra ít nhiều

phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, thời gian sử dụng và đôi khi còn phụ thuộcvào cường độ sáng xung quanh Vì vậy công suất do nguồn quang phát ra càng

ổn định càng tốt

- Thời gian sử dụng lâu, giá thành hạ

Đối với linh kiện tách sóng quang:

- Bước sóng: Nhạy đối với bước sóng hoạt động của hệ thống

- Độ nhạy: Có độ nhạy càng cao càng tốt Tức là khả năng tách được các

tín hiệu quang thật nhỏ với số lỗi (BER) trong phạm vi cho phép Linh kiện

tách sóng quang càng nhạy thì càng có khả năng nới rộng cự ly thông tin

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

C h hv

)(

24,1

eV E E

hC

g g







hay:

- Dòng tối nhỏ: Khi chưa có ánh sáng chiếu vào nhưng linh kiện tách sóng

quang vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏcàng tốt

- Tạp âm: Có tạp âm càng thấp càng tốt để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp

âm (S/N).

2.2.1.1 Bộ phát quang (Transmitter)

Nguyên lý chung :

Có hai loại linh kiện được dùng làm nguồn quang hiện nay là:

- Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode)

- Diode Laser hay LD (Laser Diode)

Cả hai linh kiện trên đều phát triển từ diode bán dẫn, Tức là từ tiếp giáp củabán dẫn loại P và loại N Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phần lớn phụthuộc vào cấu tạo của chúng, riêng bước sóng do nguồn quang phát ra phụthuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe nănglượng Eg khác nhau Mà Eg quyết định tần số và do đó quyết định bước sóngcủa năng lượng ánh sáng phát ra theo công thức sau:

Trong đó:

h = 6,625 10-34 j.s : Hằng số Planck

C = 300.000 Km/s : Vận tốc ánh sáng trong chân không

Eg : bề rộng khe năng lượng, đơn vị (eV)

v : tần số ánh sáng phát ra, đơn vị Hz

Từ công thức trên ta thấy bước sóng của ánh sáng phát ra tỷ lệ nghịch với

bề rộng khe năng lượng của chất bán dẫn chế tạo nguồn quang Do đó muốnnguồn quang phát ra ánh sáng có bước sóng dài thì phải dùng chất bán dẫn có

bề rộng khe năng lượng hẹp

Điốt phát quang (Light-Emitting Diodes- LED):

LED là loại nguồn phát quang được dùng trong những hệ thống quang cókhoảng cách đường truyền ngắn, tốc độ truyền thấp và chi phí ít Điốt phátquang có độ rộng phổ lớn nhưng công suất đầu ra ít phụ thuộc vào nhiệt độ vàthường có mạch điều khiển đơn giản

Laser là loại nguồn quang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thôngtin quang Một nguồn phát laser gồm một hốc cộng hưởng với các vật liệu phùhợp cho quá trình phát xạ kích thích và 2 gương phản xạ Các vật liệu có thể

có dạng bất kỳ nhưng được lựa chọn sao cho độ chênh lệch giữa hai mức nănglượng tương ứng với năng lượng photon phát xạ có bước sóng mong muốn.Hình dưới mô tả hoạt động của một laser Khi hệ thống được cung cấpnăng lượng thì điện tử ở trạng thái năng lượng E1 có thể hấp thụ năng lượng vàđược kích thích lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn E2 Do đây là trạngthái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay trở lại trạng thái banđầu và phát ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon tới.Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự phát

Khi một photon tác động vào một điện tử đã ở sẵn trạng thái năng lượngkích thích E2 thì điện tử sẽ được kích thích chuyển xuống trạng thái có mứcnăng lượng bền vững E1 và phát ra một photon có năng lượng và pha giốngnhư photon tới Hiện tượng này được gọi là phát xạ kích thích và là nguyên lý

cơ bản cho hoạt động của một laser

Hình 2.2.1.1 Hoạt động của một laserQuá trình phát xạ kích thích được diễn ra liên tục do các photon di chuyểnđến 2 gương lại phản xạ trở lại hốc cộng hưởng để tiếp tục tạo những photonmới Một phần năng lượng theo các photon thoát ra ngoài qua gương phản xạ

bộ phận tạo thành nguồn quang phát ra

Ngày nay người ta thường dùng laser Fabry-Perot để thay thế cho nhữnglaser DFB trước đây vì nó có thể cho laser phát có phổ hẹp và có thể thay đổitần số phát xạ, những yếu tố này rất cần trong các hệ thống ghép kênh theobước sóng đang được phát triển

2.2.1.2 Bộ thu quang:

Có hai loại bộ tách quang được triển khai rộng rãi: phodiode intrinsic- negative) và phodiode thác APD PIN có nhiều lợi thế(cách chế tạo,

PIN(positive-độ tin cậy cao, nhiễu thấp, điện áp thấp, băng tần tương đối cao) nhưng APDlại có độ nhạy và độ chính xác cao Tuy nhiên, APD lại có giá thành cao hơnPIN Cả hai đều đòi hỏi dòng cao và đều nhạy cảm với nhiệt

Băng tần

Nhu cầu hiện tại không phải là độ nhạy cao hơn mà lại là đòi hỏi có băngtần rộng hơn Độ nhạy thu không phải là nhân tố trở ngại chính ngày nay bởiEDFA cho phép phân phát đủ công suất cho bề mặt hoạt động của photodiode.Các photodiode tốc độ cao với các đặc tính tốt cần thiết cho các hệ thống viễnthông quang Các nhà sản suất photodiode đưa ra các loại có băng tần cao vàđáp ứng tốt ở băng C và băng L Ví dụ, APD với độ nhạy 26dBm và có khảnăng làm việc ở tốc độ 10Gbps đã được đưa ra thị trường

Có hai cơ chế cơ bản hạn chế băng tần của photodiode Hạn chế thứ nhấtxuất phát từ hiện tượng là các hạt tích điện được tạo ra bởi photon cần có mộtkhoảng thời gian để được thu gom(collected) lại Thời gian đó gọi là thời gianchuyển tiếp và được tính bởi công thức sau:

tr=satVới sat là tốc độ bão hoà; bình thường, 105m/s Hạn chế thứ hai về băngtần là xuất phát từ điện dung của bản thân photodiode p-n, Cin Thực sự, tiếpgiáp p-n có thể coi như là hai bản tích điện cách li với nhau bởi vùng nghèo.Đây là mô hình cổ điển của tụ điện Do đó, ta có điện dung tương đương là:

Cin=(A)wVới  là hằng số điện môi của bán dẫn, A là vùng tích cực của photodiode.Điện dung này song song với đầu ra của photodiode

Coi như băng tần của APD đòi hỏi cách tiếp cận khác với cách sử dụng choPIN Bởi APD có khuếch đại nên đặc tính chung nhất của thiết bị này là tích

số khuếch đại- băng tần: MxBW Đối với APD điển hình, tích số này đượctính như sau:

MxBW=1/(2e)Với m là độ khuếch đại ở tần số không, e là thời gian chuyển tiếp hiệudụng e=kAtr ở đó, kA là tỉ số của lỗ trống trên điện tử có trong quá trình ionhoá, phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và có giá trị là 0.03 đối với Si, 0.8 đối với

Ge và 0.6 đối với InGaAs Là một trường hợp của PIN, có thể kết luận được là

Pmin IPmin

So sánh băng tần của APD 15GHz và độ khuếch đại là 10 với băng tần củaPIN 5GHz và độ khuếch đại là 1 Có thể dễ dàng kết luận được rằng độ nhạycủa APD lớn hơn độ nhạy của PIN ít nhất là 10 lần với băng tần tương đương.Nghĩa là có thể mở rộng hơn 10 lần chiều dài sợi quang giữa bộ thu và bộphát Nhưng lợi thế này hầu như bị loại bỏ khi nhắc đến việc APD cần điện ápngược cao Từ quan điểm thực tế, điều này có nghĩa là tăng công suất tiêu thụ,đưa đến việc giảm khả năng thu nhỏ đơn vị thu quang và do đó, đường truyềndẫn càng dài thì nhiễu và điện dung kí sinh tăng Vì vậy, khi lựa chọn bộ táchquang cho hệ thống viễn thông quang, cần phải xem xét hệ thống cùng với tất

cả những điểm mạnh và những hạn chế của mọi loại thiết bị

Đáp ứng theo bước sóng

Hình 2.2.1.2 Đáp ứng của photodiode:

(a) Đặc tính vào-ra, (b) Đáp ứng theo bước sóng, (c) Độ nhạy dòng tối

Đáp ứng thực sự là tiêu biểu cho đặc tính của công suất vào-ra củaphotodiode, IP=RP với P là công suất quang, IP là dòng quang Mà dòng quang

IP= Ne/tNói cách khác, công suất quang là năng lượng của ánh sáng trong một đơn

vị thời gian, với năng lượng quang bằng năng lượng của số photon tới:

Tỉ số của số electron tạo ra Ne đối với số photon tới Np cho biết hiệu suấtcủa vật liệu bán dẫn chuyển ánh sáng thành dòng điện và gọi là hiệu suấtlượng tử của photodiode Theo công thức trên thì đáp ứng tỉ lệ nghịch vớicông suất quang và do đó tỉ lệ nghịch với số photon và năng lượng của từngphoton riêng rẽ Mà năng lượng quang lại tỉ lệ nghịch với bước sóng nên bướcsóng càng dài thì số photon phát ra càng lớn và càng nhiều electron được phát

ra, tạo lên dòng lớn hơn Nhưng bước sóng lại phải ngắn hơn vùng cấm củabán dẫn để có thể đưa các photon vào vùng hoá trị và kích các eletron tới vùngdẫn Đây chính là nguyên nhân chủ yếu của bước sóng cắt

2.2.1.3 Khuếch đại quang:

Việc cần phải có khuếch đại quang rõ ràng là từ vấn đề suy hao gây ra suyyếu tín hiệu quang khi truyền trên sợi quang Chúng ta đã biết có hai loạikhuếch đại tín hiệu: trạm lặp và khuếch đại quang Ngoại trừ một số đặc tínhhấp dẫn, các trạm lặp không được sử dụng để xây dựng mạng WDM Do đóviệc dịch chuyển từ các tuyến TDM sang WDM và từ các tuyến tới mạngquang không thể được thực hiện mà không có khuếch đại quang Đó chính làvấn đề chủ yếu cần đương đầu trong mấy năm về trước và câu trả lời là sự rađời và phát triển của khuếch đại quang Có hai loại chính là khuếch đại bándẫn và khuếch đại quang sợi Phổ biến nhất là khuếch đại quang sợi EDFA đã

mở cánh cửa cho việc triển khai hệ thống viễn thông quang WDM

Khuếch đại bán dẫn SOA là phương tiện tích cực của laser bán dẫn Haynói cách khác, SOA là laser diode không có hoặc có rất ít phản hồi quang.Khuếch đại quang sợi hoàn toàn với SOA Nó là một mẩu sợi đặc biệt nối vớisợi truyền dẫn và nối với laser bơm Cũng giống như SOA, khuếch đại quangsợi hoạt động dựa trên nguyên lí bức xạ kích thích Năng lượng phát ra từ bơmlaser được sử dụng để kích các nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn, ở đóchúng bị kích bởi các photon của tín hiệu dữ liệu chuyển xuống mức thấp hơn.EDFA hoạt động chỉ trong cửa sổ 1550 nm trong khi SOA bao phủ toàn bộvùng cửa sổ trong suốt 1300nm và 1550nm

Các dạng chức năng của khuếch đại quang:

Khuếch đại quang được phân loại theo chức năng mà chúng thực hiện:khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây và tiền khuếch đại như hình dướiđây

- Khuếch đại công suất BA: khuếch đại tín hiệu phát trước khi chuyển nóxuống đường dây BA tăng công suất của tín hiệu quang lên tới mức cao nhấtlàm cực đại khoảng cách truyền dẫn Nó được sử dụng khi nguồn quang bị hạnchế công suất đưa ra Nếu công suất đưa ra đã đủ cao thì khuếch đại sẽ gây rabão hoà và méo dạng xung

- Khuếch đại đường dây LA: thường được đặt giữa tuyến như hình 1b.Chức năng cơ bản của nó là để bù lượng công suất bị mất mát do suy hao sợiquang, kết nối và phân bố tín hiệu trong mạng Do vậy, yêu cầu chính của loạikhuếch đại này là ổn định băng tần toàn thể của WDM

- Tiền khuếch đại PA: khuếch đại tín hiệu ngay trước khi nó tới bộ thu.Loại này hoạt động với tín hiệu yếu Do đó, độ nhạy tốt, khuếch đại cao, nhiễuthấp là các yêu cầu chính đối với PA Nhiễu trở thành một đặc trưng quantrọng bởi hiệu suất thực thi của bộ thu bị phụ thuộc không phải bởi nhiễu củabản thân nó mà bởi nhiễu của PA

Hình 2.2.1.3 Các chức năng của khuếch đại quang

(a) Công suất, (b) khuếch đại đường dây, (c) Tiền khuếch đại

EDFA:

Hình 2.2.1.4 mô tả hai loại khuếch đại quang sợi Bơm được thực hiện bởi

laser diode phát xạ công suất quang ở bước sóng khác với bước sóng tín hiệu

dữ liệu Tín hiệu dữ liệu được phát ở bước sóng trong vùng lân cận 1550nm

nhưng bước sóng bơm là 980nm hoặc 1480nm hoặc cả hai Cả tín hiệu lẫnsóng bơm vào đều được đưa vào cùng một sợi quang bởi bộ nối Sóng bơmquang truyền công suất cho tín hiệu dữ liệu và suy giảm dần.

Hình 2.2.1.4a là bơm cùng chiều cho tín hiệu ra và nhiễu thấp trong khibơm ngược chiều(hình 2.2.1.4b)cho công suất đầu ra cao song nhiễu cũng cao.Trong thực tế, chúng ta còn hay gặp loại khuếch đại bơm hai chiều Bộ nối thứhai loại bỏ ánh sáng bơm còn dư Bộ cách li ngăn phản hồi quang khỏi xâmnhập trở lại bộ khuếch đại

Bơm quang:

Mục đích là đạt được nghịch đảo nồng độ nghĩa là nhiều hơn nữa số ionsErbium ở mức giữa 2 hơn ở mức 1 Để đạt được điều này, cần phải bơm cácions Erbium lên mức trung Có hai cách: bơm trực tiếp ở bước sóng 1480nm

và bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm Trong cách gián tiếp, các ion được dịchchuyển từ trạng thái thấp lên mức cao hơn 3, ở đó chúng phân rã không phát

xạ sang mức năng lượng trung gian 2 và rồi chuyển xuống mức 1, phát xạ rabước sóng mong muốn(1500 tới 1600nm) ở đây cần chú ý tới một tham số làthời gian sống hay thời gian phát xạ tự phát SP là điểm then chốt của kĩ thuật

ba mức năng lượng này Đó là thời gian trung bình nguyên tử ở mức nhất địnhtrước khi chúng chuyển xuống

Optical Output Signal Optical Input Signal

Isolator

(b)

(a)

Erbium-doped fiber Transmission

Fiber

Pumping Light

Splice Splice

Isolator

& Filter

WDM Coupler

Pump Laser

WDM Coupler

EDFA

Residual Pumping Light

Erbium-doped fiber Transmission

Fiber

Pumping Light

Splice Splice

Isolator

& Filter

WDM Coupler

Pump Laser

WDM Coupler

(a) Bơm cùng chiều, (b) Bơm ngược chiều, (c) Tín hiệu và nhiễu trong EDFA

mức thấp hơn Còn đối với trường hợp bơm trực tiếp thì các ion Er được đưatrực tiếp lên mức 2 từ mức thấp nhờ năng lượng quang ngoài ở bước sóng1480nm Bởi thời gian sống của các ion ở mức năng lượng này dài nên chúngtích luỹ năng lượng ở đây và tạo ra nghịch đảo nồng độ Kết quả là ởmứctrung gian, mật độ của các ion Er nhiều hơn nhiều ở mức thấp hơn Khi tínhiệu dữ liệu quang hoạt động ở một trong số các bước sóng của WDM đi quasợi có sự nghịch đảo nồng độ này thì sẽ kích cho các ion Er chuyển từ mức 2xuống mức 1 Sự kích chuyển này tạo ra các photon có cùng bước sóng, hướng

và pha như photon tới Do đó, tín hiệu vào được khuếch đại

Level 1

Level 3

Level 2 Energy

980nm

1480nm

SP 1s

SP 10ms Spontaneous emision (1500 – 1600 nm) Stimulateds emision (1500 – 1600 nm)

Hình 2.2.1.5 Dải năng lượng của ions Erbium trong sợi Silic

Độ khuếch đại:

Khuếch đại là tỉ số giữa công suất quang đầu ra đối với đầu vào:

Gain=(Pout-PASE)/PinHay Gain(dB)=10log10[(Pout-PASE)/Pin]

Độ khuếch đại của EDFA hiện đại nằm trong khoảng từ 20dB đến 40dBtuỳ thuộc vào chức năng của chúng

Kết luận:

EDFA thoả mãn yêu cầu trong sử dụng các tuyến điểm nối điểm WDM Xuhướng ứng dụng này là để sử dụng nhiều hơn nữa số kênh được ghép kênh cầnthiết đòi hỏi băng tần khuếch đại rộng hơn và công suất bơm quang cao hơn.May mắn là các bộ khuếch đại hiện đại đáp ứng được những đòi hỏi này vàcác bộ khuếch đại với băng tần từ 1530 tới 1610 được vào thương mại Mộttrong những đặc tính quan trọng của EDFA được sử dụng trong mạng WDM

là khả năng giữ cho các đặc tính của nó không đổi khi một hay nhiều kênh đầuvào được thêm vào hay lấy ra Như vậy, EDFA khiến cho truyền dẫn WDM cóthể thực hiện được và ghép kênh phân chia bước sóng làm tăng đáng kể dunglượng hệ thống viễn thông quang

2 2.2 Các phần tử thụ động, chuyển mạch và các modules chức

năng:

2. 2.2 .1 Bộ ghép kênh và tách kênh phân chia bước sóng:

dB -40

Insertion

Insertion loss

MUX 1

2

N

1, 2,…, N

.

(a)

DEMUX

1 2

N

1, 2,…, N

.

(b)

(d)

(c)

Flat Type Standard (Gaussian) type

1540.56 1541.35

Bộ tách/ghép kênh bước sóng quang là một thành phần quan trọng trongcông nghệ WDM Linh kiện mà kết hợp bước sóng của các nguồn quang khácnhau rồi đưa ra gọi là bộ ghép kênh Ngược lại, linh kiện tách ra từ tín hiệunhiều bước sóng đưa đến trên cùng một sợi quang thành những bước sóngriêng rồi đưa ra gọi là bộ tách kênh Xét trên nguyên lí, linh kiện này là haichiều, tức bộ tách kênh đảo ngược lại đầu vào và ra thành đầu ra và vào sẽthành bộ ghép kênh, cho nên bộ ghép kênh và tách kênh là như nhau(trừ khi cóyêu cầu đặc biệt)

Có ba dạng cơ bản của WDM MUX/DEMUX theo khoảng cách kênh màchúng có thể xử lí: WDM băng rộng(BWDM) kết hợp và chia tách các kênh1310nm và 1550nm hoặc thậm chí các kênh 850 và 1310nm Băng hẹpWDM(NWDM) kết hợp và chia tách các kênh bước sóng với khoảng cáchđỉnh-đỉnh lớn hơn 200Ghz WDM dày đặc(DWDM) với các thiết bị tách/ghépkênh hoạt động với khoảng cách kênh bước sóng không lớn hơn 200Ghz

Hình 2.2.2.1 Tách/ghép kênh WDM:

(a) Chức năng của bộ ghép kênh, (a) Chức năng của bộ tách kênh,

(c) Đặc tính của WDM MUX/DEMUX, (d) Các dạng profile của kênh

Bộ nối/tách quang và MUX/DEMUX có cùng chung mục đích: kết nối cáctín hiệu vào cùng một sợi quang và ngược lại Chúng khác nhau ở chỗ là bộnối quang ghép các tín hiệu ở cùng một bước sóng trong khi MUX ghép nốicác kênh bước sóng khác nhau

Một số tham số đặc trưng cho bộ tách/ghép kênh:

- Số kênh: số kênh bước sóng mà thiết bị có thể tách/ghép kênh Số kênhđiển hình là 4, 8, 16, 32, 40 kênh Tăng số kênh là xu hướng phát triển của các

hệ thống thông tin cáp sợi quang hiện nay

- Bước sóng trung tâm: của các kênh này được cho trong ITU-T grid Ví dụhai bước sóng như trong hình 4c

- Khoảng cách kênh: khoảng cách cực tiểu giữa các kênh mà WDM MUX/DEMUX có thể xử lí được(hình 4c)

- Băng tần: hay còn được đề cập tới như là độ rộng kênh hay độ rộng dảithông là độ rộng đường(linewidth) của kênh bước sóng cụ thể Các nhà sảnxuất thường chỉ rõ giá trị này ở mức 1dB, 3dB, 20dB của suy hao chèn (xemhình 4c) Các giá trị điển hình là 0.7nm đối với thiết bị có 4 kênh và 0.3nm đốivới thiết bị có 32 kênh với suy hao 1dB nhưng có thể là 0.1nm ở 3dB Băngtần cũng phụ thuộc vào dạng đường(line profile) Có hai dạng profile điểnhình như hình 4c được sử dụng trong WDM MUX/DEMUX

- Suy hao chèn cực đại: bởi suy hao chèn biến đổi tuỳ kênh nên các nhà sảnsuất sử dụng giá trị cực đại để đặc tính cho suy hao chèn của thiết bị Giá trịđiển hình khoảng từ 1.5dB đối với thiết bị 4 kênh đến 6db cho 32 kênh MUX/DEMUX

- Độ cách li: tuỳ thuộc vào chức năng của thiết bị(thường là cao hơn 30dBcho bộ tách kênh và khoảng 18dB cho bộ ghép kênh)

Bộ ghép/tách kênh bước sóng đóng vai trò then chốt trong hệ thống ghépkênh siêu cao tốc dung lượng lớn, tính năng tốt hay xấu có ảnh hưởng quyếtđịnh đối với chất lượng của hệ thống truyền dẫn Chỉ tiêu tính năng chính baogồm tổn hao chèn và xuyên nhiễu Do đó yêu cầu của hệ thống WDM đối vớiđặc tính bộ tách/ghép kênh là tổn hao và sai lệch nhỏ, xuyên nhiễu giữa cáckênh nhỏ, tổn hao tổng băng thông bằng phẳng

2. 2.2 .2 Bộ Lọc:

Các bộ lọc cho phép chỉ một bước sóng đi qua nó và phong toả tất cả cácbước sóng khác Chức năng của nó được mô tả như trong hình 2.2.2.2(a) Cóhai loại bộ lọc: cố định và điều chỉnh được Các bộ lọc cố định chỉ cho phépbước sóng cố định, xác định trước đi qua nó trong khi các bộ lọc điều chỉnhđược lại có thể điều chỉnh động bước sóng lựa chọn Các bộ lọc có thể đượcchia ra làm nhiều loại tuỳ thuộc vào ứng dụng của chúng Tuy nhiên, thực tếthì tất cả các loại bộ lọc đều được đặc trưng chung bởi các tham số giống nhaudưới đây

- Tần số trung tâm hay bước sóng trung tâm phải tuân theo chuẩn ITU-T(ITU-T grid)

- Dải băng tần (độ rộng dải thông hay băng tần của kênh) là độ rộng đườngcong truyền dẫn của bộ lọc tại mức 0.5dB so với suy hao chèn cực đại

- Chặn băng tần là độ rộng đường(linewidth) ở mức 20dB so với suy haochèn cực đại

- Độ cách li cho biết có bao nhiêu công suất từ kênh không mong muốn tồntại trên kênh đầu ra

Ripple

Cross Talk

-20 -10 -30 0

Channel Width

Stop BW

Transmission Loss (dB) Insersion Loss (dB)

Transmission Loss (dB)

Wavelength (nm)

Wavelength (nm) Wavelength (nm)

Optical Filter

Real Ideal

-40 Reflection

(d)

Hình 2.2.2.2 Các đặc tính của bộ lọc quang WDM:

(a) Chức năng của bộ lọc quang, (b) Truyền dẫn lí tưởng và thực (c) Định nghĩa các thuật ngữ cơ bản, (d) Độ gợn sóng,

(e) Hệ số sử dụng băng tần (BUF)

- Độ gợn sóng là sự thay đổi suy hao đỉnh đỉnh trong độ rộng kênh (hình2.2.2.2d)

- Hệ số sử dụng băng tần là tỉ số giữa độ rộng đường của máy phát đối vớiánh sáng phản xạ ở mức nhất định của suy hao chèn(hình 2.2.2.2e)

Bộ lọc cố định: Hầu hết các kĩ thuật được dùng để chế tạo các bộ tách/ghép

kênh WDM đều được sử dụng trong chế tạo các bộ lọc FBT(fused biconicaltaper), Mach-Zehnder, cách tử nhiễu xạ và cách tử Bragg là các kĩ thuật bộ lọc

cố định phổ biến Có một vài loại bộ lọc chính như bộ lọc giao thoa màngmỏng(thin-film interference filters), bộ lọc khoang(bộ lọc Fabry-Perot), bộ lọcnhiều khoang và bộ lọc đa khoang điện môi màng mỏng(DTMF)

Các bộ lọc điều chỉnh được: Các bộ lọc điều chỉnh được có khả năng thay

đổi động bước sóng cho qua, khác với các bộ lọc cố định chỉ có khả năng lọc tĩnh nói trên Chúng ta cần bộ lọc điều chỉnh được với hai mục đích: lọc bước sóng trước bộ thu và cho xây dựng mạng chuyển mạch quang(động) Các tham

số cơ bản đặc trưng cho bộ lọc điều chỉnh được là: dải động, băng tần, số kênh có thể giải quyết được, suy hao chèn, tốc độ điều chỉnh, PDL, SSR Có các loại bộ lọc có thể điều chỉnh được sau: Fabry-Parot, cách tử nhiễu xạ, cách

tử sợi Bragg, AOTF, EOTF Trong đó có bộ lọc quang sử dụng thanh quang AOTF rất đáng chú ý và có thể cung cấp cho nhiều ứng dụng(chủ yếu là các

bộ lọc thông dải trước bộ thu) bởi các đặc tính của nó như các đặc tính lựa chọn rất tốt

Các bộ lọc, thành phần quan trọng của mạng viễn thông quang WDM ngàynay, sẽ trở thành ngày càng quan trọng khi mà kĩ thuật WDM chuyển từ mạngđiểm điểm sang mạng chuyển mạch kênh động và sau đó là mạng chuyểnmạch gói Đây là lĩnh vực có những thay đổi rất nhanh và có các kĩ thuật quantrọng có thể đạt được nhanh chóng

Khi hệ thống WDM được sử dụng rộng rãi, người ta thấy rằng kĩ thuậtWDM còn có ưu thế trong việc nâng cao khả năng truyền dẫn liên mạng Bộghép tách quang OADM là một linh kiện quan trọng của tổ chức mạng truyềndẫn, chức năng của nó là tách(Drop) lọc tín hiệu quang từ thiết bị truyền dẫnđưa về mạng tại chỗ, đồng thời ở đường nhập(Add), tín hiệu qaung của thuêbao phát cho một điểm nút khác mà không ảnh hưởng đến việc truyền dẫn cáctín hiệu kênh bước sóng khác cũng tức là OADM trong miền quang thực hiệnghép tách điện tử trong miền thời gian bằng thiết bị truyền thống SDH, nói