Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm và ứng dụng trong mạng đường trục Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VÈ HỆ THÓNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNHTHEO BƯỚC SÓNG WDM Từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, chúng ta đã nhậ

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VÈ HỆ THÓNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH

THEO BƯỚC SÓNG WDM

Từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông,

chúng ta đã nhận thấy rằng phương thức truyền dẫn quang đã có những khả năng to lớn trong việc chuyến tải

các dịch vụ viễn thông Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn quang đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, chúng

đã thích ứng cả những tín hiệu tương tự hoặc số, chúng cho phép truyền lưu lượng các tín hiệu dịch vụ băng

hẹp và băng rộng thõa mãn đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ Đó là ưu điểm

vượt trội của các hệ thống thông tin quang đế tiến tới xây dựng một mạng truyền dẫn hiện đại

1.1 Cấu trúc tống quát của hệ thống thông tin quang WDM

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang được mô tả như hình 1.1:

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiến liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh đế bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang

và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sô thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương úng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

ĐỒ ÁN TỐT

hai cửa số sau rất nhở cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa số thứ hai và thứ ba.

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thế sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đối tương ứng với sự thay đối của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương úng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đối của cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến

ĐỒ ÁN TỐT

cẩm

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang đế tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đối trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hộ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyến đối nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọngnhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống.

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến, cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đối thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đối tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điếm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho

ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông

mà các sợi truyền dẫn quang có thế truyền dẫn với suy hao nhở như hình 1.2.

Phổ một nguồn sáng

Single

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

1,

Vì vậy, đã dẫn đến một ý tưởng hợp lý khi cho rằng có thế truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này.

1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM

1.2.1 Giói thiệu hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

Đe đáp ứng nhu cầu sử dụng băng thông ngày càng cao của xã hội mà các phương thức truyền dẫn cũ như ghép kênh PDH, ghép kênh SDH không thể đáp ứng, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đã xem xét một sổ phương thức truyền dẫn mới thay thế Với nhũng un thế nối bật, truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Devision Multiplexing) đã được ứng dụng rộng rãi trên mạng viễn thông của các quốc gia trên thế giới

Ghép kênh theo bước sóng WDM là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”, ớ đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tố hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vục tốn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó, các mạch điện tủ’ sẽ có hạn chế là không thế đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, mặc khác chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được nhũng hạn chế trên

1.2.2 Các kết cấu CO’ bản của hệ thống WDM

Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM: hệ thống đơn hướng và song hướng như

Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm Lun lượng được mang bởi các tín hiệu quang có các bước sóng khác nhau.

Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM

về cơ bản thành phần quang đế cấu thành hệ thong WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương ứng với phía phát, kênh tín hiệu điều khiến giám sát quang và hệ thống xử lý Mỗi phần tử trên hệ thống đều thực hiện nhũng chức năng xác định một cách chính xác

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được minh họa ở hình 1.4 Ớ đầu phát, trước tiên tín hiệu đến từ thiết bị đầu cuối được bộ chuyển đối bước sóng quang (OWT - Optical Wavelength Translators) chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu quang có bướcsóng theo chuẩn G.692, phù hợp với phổ bước sóng quang WDM Sau đó các bước sóng WDM theo chuẩn G.692 sẽ được tập hợp thành tín hiệu quang tổng nhờ bộ ghép sóng quang, được khuếch đại qua các bộ khuếch đại công suất quang và phát lên sợi quang Khi khoảng cách truyền dẫn giữa hai nút mạng quá lớn (lớn hơn 130 km), tín hiệu quang cần được khuếch đại chuyển tiếp.

Ở đầu thu, bộ tiền khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu quang tổng hợp (đang bị suy giảm nhiều

về công suất), tiếp đó bộ tách sóng quang sẽ tách các tín hiệu quang có bước sóng nhất định ra khỏi tín hiệu quang tống hợp Bộ thu quang phải đảm bảo các yêu cầu về độ nhạy, công suất quá tải, chịu đựng tín hiệu quang có tạp âm, có khả năng khuếch đại băng rộng,

Chức năng chính của kênh tín hiệu quang giám sát là điều khiển và giám sát tình hình truyền dẫn các kênh tín hiệu quang của hệ thống WDM Ớ đầu phát, tín hiệu quang giám sát sẽ được hợp với tín hiệu quang tống và đưa ra sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu quang giám sát sẽ được tách ra khỏi tín hiệu quang tống hợp Các byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ, byte thông tin mào đầu (overheard), mà mạng quản lý, sử dụng đều được truyền qua kênh tín hiệu quang giám sát

Hệ thống quản lý mạng trên mạng WDM thông qua lớp vật lý của kênh tín hiệu quang giám sát truyền các byte mào đầu đến các nút trên mạng WDM Nhờ vậy hệ thống quản lý mạng WDM thực hiện được các chức năng quản lý như: quản lý cấu hình, quản lý sự cố, quản lý tính năng, quản lý bảo mật, và kết nối với hệ thống quản lý cấp cao hơn TMN (mạng quản lý viễn thông)

Hình 1.4 Sơ đồ chức năng hệ thống

Phần phát quang WDM Phần KĐ đường dây Phần thu quang WDM

Hệ thống quản lý và giám sát mạng WDM

1.3.Hai dạng hệ thống WDM

1.3.1 Hệ thống WDM kiểu tích hợp

Hệ thống kiếu tích hợp là đầu cuối SDH phải thoã mãn giao diện quang G.692, bao gồm bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoã mãn truyền dẫn cự ly dài Hệ thống SDH hiện nay (giao diện G.957) không yêu cầu hai chỉ tiêu này, tức là phải tích hợp bước sóng quang tiêu chuấn và nguồn quang bị hạn chế bởi cự ly tán sắc dài vào hệ thống SDH Cấu tạo của toàn bộ hệ thống tương đối đon giản, không có tăng thêm thiết bị dư thừa Đối với STM-n trong hệ thống WDM kiểu tích hợp, thiết bị ADM và REG đều phải có giao diện quang phù hợp với yêu cầu của hệ thống WDM để thoã mãn nhu cầu của hệ thống truyền dẫn như hình 1.5

Hình 1.5 Hệ thống WDM kiểu tích hợp

1.3.2 Hệ thống WDM kiểu mở

Hệ thống WDM kiếu mở có bộ chuyến đối bước sóng OUT ở đầu phát Tác dụng của nó là chuyến đổi lại bước sóng quang theo yêu cầu nhất định trong khi không biến đối khuôn dạng số liệu tín hiệu quang đế thoã mãn yêu cầu thiết kế hệ thống WDM Ớ đây, “kiểu mở” là trong cùng một hệ thống WDM, có thể nổi vào các hệ thống SDH của các nhà sản xuất khác nhau, chuyến đối bước sóng không quy phạm SDH thành bước sóng tiêu chuẩn OTƯ không có yêu cầu đặc biệt đối bước sóng của tín hiệu đầu vào, có thể tương thích bất kỳ tín hiệu SDH của nhà sản xuất nào đó Đầu ra OTU thão mãn giao diện quang G.692, tức bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoã mãn truyền dẫn cự ly dài Ilệ thong WDM có OTƯ không yêu cầu hệ thống SDH có giao diện quang G.692 nữa, có thể tiếp tục sử dụng thiết bị SDH phù hợp với giao diện G.957 tiếp nhận các hệ thống SDH trước đây, mô tả như hình 1.6

1.4.Đặc điếm chính của công nghệ WDM

So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm vượt trội sau:

1.4.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng lớn của sọi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang (đoạn sóng tốn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần Từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng

và giá trị kinh tế rất lớn Hiện nay, hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênh tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thế sử dụng nhưng hiện nay người ta chỉ sử dụng một bộ phận rất nhỏ trong tần phổ tổn hao thấp của sợi quang Mặc dù cũng sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530 -1565 nm), nhưng cũng chỉ chiếm 1/6 dải tần của nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode, do đó ở mức độ cao đã giải quyết vấn đề truyền dẫn

1.4.2 Truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thế truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện (như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ, )

1.4.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Do các phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công, vì vậy dùng công nghệ WDM có thế tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thế có rất nhiều ứng dụng như: mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN) nhiều đường nhiều địa chỉ , do đó rất quan trong đối với ứng dụng mạng

Hình 1.6 Hệ thống WDM kiểu mở

1.4.4 Tiết kiệm đầu tư cho đưòng dây

Dùng công nghệ WDM có thế ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đối nhiều đối với hệ thống cũ Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang, ngoài việc thuê sợi hoặc thuê cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản cắm thêm Card mới trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động

1.4.5 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối vói linh kiện

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, khi đó tốc độ tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tất nhiên là không đủ Việc sử dụng công nghệ WDM có thế giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thế truyền dẫn dung lượng lớn

1.4.6 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện đế đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP) Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ đế đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, (ví dụ hiện nay thực hiện công nghệ IP trên WDM) Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyến mạch và khôi phục mạng, tù’ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai

1.5 Giao diện chuấn và các tiêu chuấn liên quan đến hệ thống WDM

1.5.1 Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM

Trong thực tế, nhiều hệ thống WDM sẽ cùng liên kết hoạt động tạo ra mạng truyền dẫn cung

cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối đến đầu cuối mạng WDM Đế đảm bảo khả năng phối hợp hoạt động

trên, các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thế cần phải được đưa ra cho tùng hoạt động của các phần

tà mạng Tập hợp những thông số này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống

Tiêu chuẩn hoá các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm liên kết mạng, mục

đích của nó là nhằm đảm bảo khả năng chuyến giao thông tin người sử dụng và trao đối thông tin quản

lý giữa các phần tử mạng Ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau

trong một phân đoạn mạng hay nói cách khác là phải bảo đảm tính tương hợp ngang trong mạng

Khuyến nghị G.692 của ITU-T đưa ra tiêu chuẩn của các hệ thống WDM điểm-điểm cự ly

lớn; tốc độ của tòng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 hoặc STM- 64; số kênh bước sóng 4, 8, 16 hoặc

32 kênh; loại sợi G.652, G.653 hoặc G.655; khoảng cách cực đại của tuyến khi không dùng khuếch đại

quang là 160 km và có sử dụng khuếch đại quang là 640 km

1.5.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM

1) ITƯ-T G.872: kiến trúc của mạng truyền tải quang

Khuyến nghị này qui định các chức năng của mạng truyền tải quang truyền tải tín hiệu số, bao

gồm:

- Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang

- Quản lý mạng quang

- Các kỹ thuật hồi phục mạng quang

2) ITU G.709: giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN), khuyến nghị này:

- Phân cấp truyền tải quang (OTN)

- Chức năng của phần mào đầu trong việc hỗ trợ thông tin đa bước sóng

- Cấu trúc khung

- Tốc độ bít

- Phương thức sắp xếp các tín hiệu client

3) ITU-T G.959: giao diện vật lý của mạng truyền tải quang, khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối

với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sử dụng công nghệ WDM

4) ITU-T G.692: giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại quang

5) ITU-T G.957: giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH

ITU-T G.691: giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc

độ STM-64, STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch

đại quang.

ĐỒ ÁN TỐT

- 11 - GVHD: Th.s Lê Thị cẩm SVTH: Nguyễn Hữu

Trường

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THÓNG WDM

2.1 Sợi quang

Sợi quang là một trong những thành phần quang trọng nhất của mạng, nó là phương tiện truyền dẫn vật lý Sợi quang được chế tạo từ Si02 một nguyên liệu rất rẻ và phố biến vì nó có trong cát thường Sợi quang có ba cửa sổ truyền dẫn:

• Vùng cửa số một: Người ta dùng LED chế tạo ra cửa số quang có bước sóng

850 nm, mức suy hao a = ldB/Km, hệ số tán sắc lớn

• Vùng cửa số hai: ứng với bước sóng 1310 nm, có hệ số suy hao a = 0.5 dB/Km, he số tán sắc nhỏ a TS = 3,5 - 5 ps/nm.Km

• Vùng cửa số thứ ba: úng với bước sóng 1550 nm, có hệ sổ suy hao

nhở nhất a =0,154 dB/Km Với kỹ thuật cao có thế chế tạo được sợiquang đơn mode có a =0,14 dB/Km

Suy hao tại ba vùng cửa số này là thấp nhất, ở Việt Nam thường dùng ở cửa số thứ ba

( Ằ = 1550 nm) Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ làm tăng dung lượng đường truyền bằng cách tăng sổ kênh quang truyền trên sợi quang thay vì chỉ dùng một kênh quang Vì vậy, yêu cầu môi trường truyền dẫn phải có:

• Hệ số suy hao nhỏ

• Hệ số tán sắc nhỏ

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý truyền dẫn trong sọi quang

Sợi gồm một lõi dẫn quang bằng thủy tinh có chiết suất ĨÌ1, bán kính là a, đường kính

là dk Và lớp bọc bằng thủy tinh bao xung quanh ruột có chiết suất n2, với F1Ị > n2, đường kính

dm Các tham số ĨÌỊ n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, người ta gọi đó là các tham sổ cấu trúc

Khi ánh sáng truyền trong lõi snri qnanp sẽ phán xa nhiều lần (nhan xa toàn SVTH: Nguyễn Hữu Trường - 1 2 - GVHD: Th.s Lê Thị cẩmHà

ĐỒ ÁN TỐT

phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó, ánh sáng có thế truyền được trong sợi

có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uổng cong (với một độ cong giới hạn) như hình 2.1

Hình 2.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

2.1.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sọi quang

a Sợi quang có chiết suất nhảy bậc ( SIMM: Step Index Multi Mode)

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng tù’ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các con đường khác nhau như hình vẽ

Hình 2.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

c

Các tia sáng truyên trong lõi với cùng vận tôc: V = —

n x

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s ri]

chiết suất môi trường trong lõi sợi

Ở đây n[ không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sè khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thế truyền dẫn tín

n

Lóp bọc

Lóp bọc Lõi (core)

hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi

có chiết suất giảm dần

b Sợi quang có chiết suất giảm dần (GIMM: Graded Index Multi Mode)

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parapol, vì chiết suất thay đối một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uống cong dần Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau, vận tốc truyền cũng thay đối theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn với vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn với vận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Neu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parapol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này là bằng nhau hình 2.3 Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sơi SI

• Dạng giảm chiết suất lớp bọc

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn thì phải pha thêm nhiều tạp chất nhưng điều này lại làm tăng suy hao Dạng này chỉ đảm bảo độ chênh lệch chiết suất A nhưng có chiết suất lõi ni không cao

Dạng dịch độ tán sắc

Độ tán sắc tống cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1310 nm Người ta có

thế dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550 nm bằng cách dùng sợi quang có dạng

chiết suất như hình 2.4

• Dạng san bằng tán sắc

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng, đế đáp ứng

cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.5

Hình 2.5 Chiết suất dạng san bằng tán sắc

2.1.3 Các thông số của sợi quang

2.1.3.1 Suy hao của sợi quang

Công suất quang truyền tải trên sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ tương

ứng như tín hiệu điện Biếu thức của hàm số truyền công suất có dạng:

P(z) = P(0) X Q WZ

ĐỒ ÁN TỐT

cẩm

Trong đó: p (0) là công suất ở đầu sợi (z = 0).

p (z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi a

p2 = p (L) công suất ở cuối sợi

Hê số suy hao trung bình : a (dB /km) =

L{km)

Trong đó : A là suy hao của sợi

L là chiều dài của sợi

a Suy hao do hấp thụ

• Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng

ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), man gan (Mn), cobar (Co) và niken

(Ni) Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vàonồng độ tạp chất

và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Đe có được sợi quang có độ suy hao dưới 1

ĐỒ ÁN TỐT

cẩm

dB/Km c.ần phái c.ỏ thíìv tinh thât tinh khiết vái nồnp đô tan chất khônp nná 10'9.

SVTH: Nguyễn Hữu Trường - 1 6 - GVHD: Th.s Lê Thị cẩm

Hà

• Sự hấp thụ của ion OH

Các liên kết giữa Si02 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo

sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước

sóng gần 950 nm, 1240 nm, 1400 nm Như vậy độ ấm là một trong những nguyên nhân gây ra

suy hao sợi quang

• Sự hấp thụ cực tím và hồng ngoại

Ngay cả khi sợi quang được chế tạo tù’ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự hấp thụ vẫn

xảy ra Vì bản thân thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và vùng hồng

ngoại, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại sẽ gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước

sóng dài trong thông tin quang

b Suy hao do tán xạ

• Tán xạ Rayleigh

Khi sóng điện tù' truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất

trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thủy tinh, các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt

sẽ gây ra hiện tượng tán xạ Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần

mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm đế tán xạ Các tia truyền qua nhũng

điếm không đồng nhất này sẽ tách ra nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh

sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác, thậm chí truyền

ngược lại nguồn quang

• Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo

Khi tia sáng truyền đến những chỗ khuyết tật (lõi) giữa lõi và lớp bọc, tia sáng sẽ bị

tán xạ Lúc đó có một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau Nhũng tia

có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ qua lớp bọc và suy hao dần

ĐỒ ÁN TỐT

cẩm

c Suy hao bị uốn cong

ĐỒ ÁN TỐT

cẩm

• Vi uốn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chồ uốn cong nhở thì suy hao của sợi cũng

tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó

Hay nói cách khác, sự phân bố thường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự

phát xạ năng lượng khỏi sợi Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất

là bước sóng dài

• Uốn cong

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng,

d Suy hao mối hàn

Khi hàn nối các sợi quang, chúng ta nối đầu sợi quang lại với nhau chuẩn trục Neu

lõi của hai sợi không được gắn với nhau chính xác và đồng nhất thì phần ánh sáng đi qua khỏi

sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn, gây ra suy hao

2.1.3.2 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng biến dạng, hiện

tượng này gọi là tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và làm xung bị chồng lấp

trong tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang kí hiệu là D, đơn vị là s, được xác định bởi công

thức:

Trong đó: T ị, r0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (S)

Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km

Đối với loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợi ứng với

mỗi nm của bề rộng phố của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là ps/nm.km.

ĐỒ ÁN TỐT

- 19 - GVHD: Th.s Lê Thị cẩm SVTH: Nguyễn Hữu

Trường

Hình 2.7 Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc

♦> Các nguyên nhân gây tán sắc

a Tán sac mode

Tán sac mode là do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode, mỗi mode lại

truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau Tán sắc mode chỉ phụ thuộc

vào kích thước sợi đặc biệt là đường kính lõi sợi Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode

b Tán sắc sắc thể

Tán sắc thế là do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một

khoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền

khác nhau

• Tán sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước

sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gây nên tán sắc chất liệu Tán sắc chất liệu cho

biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phố nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị

của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.km

Ớ bước sóng 850nm, độ tán sắc cho chất liệu M khoảng 90 đến 120ps/nm.km Nếu sử

dụng nguồn quang là LED có bề rộng phố A Ầ = 50nm thì độ nới rộng xung quang khi truyền qua

Trường

Còn nếu nguồn quang là laser diode có A Ẫ = 3 nm thì độ nới rộng xung chỉ khoảng

0,3ns/km

Ớ bước sóng 1300 nm tán sắc do chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhung ngược dấu

nên tán sắc sắc thế bằng không Do đó bước sóng 1300 nm thường được chọn cho các đường truyền

tốc độ cao

Ớ bước sóng 1550 nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20 ps/nm.km

• Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng

Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng gây nên sự tán

sắc ống dẫn sóng Tán sắc do ống dẫn sóng thay đổi theo bước sóng

2.2 Cáp quang

2.2.1 Yêu cầu kết cấu của cáp quang

Cấu trúc của cáp quang phải thõa mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quang trước tác dụng

của cơ học, của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi công lắp đặt và cả quá trình sử dụng lâu dài

Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quang hoặc làm tăng suy hao và làm giảm tuối thọ của sợi quang

Cáp quang phải được chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng viễn thông như: cáp treo, cáp

chôn, cáp thả cống, cáp thả biến và cáp trong nhà

Thành phần chính của sợi quang gồm: lõi (core) và lớp bọc (cladding) Trong viễn thông

dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thủy tinh, lõi đế 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 Ngoài ra đế bảo vệ sợi quang tránh

nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài, sợi quang còn bọc thêm vài lớp phụ

Có thể phân loại sợi quang thành bốn nhóm dựa trên vật liệu chế tạo:

- Sợi Sillica (Si02)

- Sợi hợp chất thủy tinh

Sợi cỏ lớp bọc bang Plastic.

ĐỒ ÁN TỐT

- 21 - GVHD: Th.s Lê Thị cẩm SVTH: Nguyễn Hữu

Trường

Sợi Plastic.

Nhưng sợi thường được dùng trong viễn thông là sợi Sillica

2.2.2 Cấu trúc và các thành phần của cáp

2.2.2.1 Cấu trúc tổng quát

Cấu trúc tổng quát của cáp bao gồm như hình 2.8

Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ, sắp xếp theo một thứ tự nhất

Hình 2.8 Cấu trúc tổng quát của cáp

2.2.2.2 Các thành phần của cáp

a Thành phần chống ẩm

Đe tránh sự xâm nhập của nước dọc theo ruột cáp, người ta bơm đầy các khoảng trống

trong ruột cáp bởi một hợp chất nhờn dưới áp suất rất cao Hợp chất nhờn cũng phải có các độ đặc

tính giống như chất nhờn trong đệm lỏng:

• Có tác dụng ngăn âm

• Không có tác dụng hóa học vớicác thành phần khác của cáp

• Không thay đối thế tích trong khoảng nhiệt độ làm việc

• Dể tẩy sạch khi hàn nối

• Khó cháy

Ngoài ra ruột cáp còn được bao bọc bởi một lớp ngăn ấm bằng kim loại dán mỏng thường

là nhôm (hoặc Plastic) Đối với loại cáp không chứa thành phần kim loại dán mỏng thường được làm

dạng gợn sóng để tăng sức chịu đựng các lực cơ học

Đối với các loại cáp không cần độ chống ẩm cao như cáp dùng trong nhà thì không cần

bơm chất nhờn, cũng như không cần lớp chống ấm

b Thành phần chịu lực

Vì sợi quang bằng thủy tinh dễ gãy nên trong cáp sợi quang phải có các thành phần chịu

lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắp đặt cũng như sử dụng

Các thành phần chịu lực bao gồm:

• Các thành phần chịu lực trung tâm nằm ở trục cáp, thành phần chịu lực trung tâm

có thể bằng dây kim loại hoặc bằng sợi không kim loại

• Thành phần chịu lực bảo vệ ruột cáp bằng tơ hoặc bằng sợi aramide được bện bao