thiết kế tuyến cáp quang bmt đi huyện eahleo

NA Numerlcal Aperture Khẩu độ sốAPD Avalanche Photodiode Diode quang thác DFA Doped-Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển tán sắcWDM W

Ngày … tháng 06 năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

KS Lê Hồng Nam

Ngày … tháng 06 năm 2013 Giáo viên phản biện

Em tên là: Nguyễn Quang Dũng

Sinh viên lớp: 31DTDLDE Khoa Điện Tử - Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Đà Nẵng

Em xin cam đoan đồ án này là do em tự làm và không phải là bản sao chép từ đồ án khác hoặc bất kỳ công trình nào có từ trước Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Quang Dũng

NA Numerlcal Aperture Khẩu độ số

APD Avalanche Photodiode Diode quang thác

DFA Doped-Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển tán sắcWDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước sóng

MultiplexingEDF Erbium Dopped Fiber Sợi pha tạp Erbium

EDFA Erbium Dopped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp ErbiumELED Edge Light Emitting Diode LED phát xạ cạnh

ESNR Electrocal Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện

GI Graded Index Sợi quang có chiết suất giảm dần

LD Laser Diode Light Amplification by simulate

Emission of Radation - DiodeLED Light Emitting Diode Diode phát quang

NRZ Non Return To zero Mã không trở về không

PIN Positive Instrinsic Negative Bộ thu quang PIN

RZ Return To Zero Mã quay về không

SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SLED Surface Light Emitting Diode LED Phản xạ mặt

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn Mode

SI Step Index Sợi quang có chiết suất nhảy bậc

Sự ra đời của thông tin sợi quang đã tạo nên là cuộc cách mạng lớn trong ngành Viễn thông Với những ưu điểm như ít nhiễu, băng thông rộng, lưu lượng lớn thông tin sợi quang đã trở thành bộ phận cốt lõi trong hệ thống đường trục ở mỗi quốc gia Sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới thông tin liên lạc nhất là Internet và các nhu cầu giao tiếp qua các dịch vụ đa phương tiện (truyền hình hội thảo, các dịch vụ giải trí đòi hỏi chất lượng cao )

Chính vì vậy, việc cần thiết đầu tư về thiết bi và xây dựng tuyến truyền dẫn quang dự phòng ĐăkLăk đến huyện Eahleo là cần thiết, nhằm mục đích nâng cao khả năng dự phòng mạng, tăng chất lượng dịch vụ đối với khách hàng trong môi trường cạnh tranh hiện nay

Để xây dựng một mạng thông tin quang cần phải thực hiện rất nhiều công việc trong đó vấn đề khảo sát thiết kế là phần việc được thực hiện đầu tiên và giữ vai trò đặc biệt quan trọng Với vốn kiến thức học tập được ở trường cùng một số kinh nghiệm thực tế công việc tại đơn vị công tác Được sự tận tình hướng dẫn của Thầy

Lê Hồng Nam, cùng sự quan tâm của Lãnh đạo Viễn thông Đăklăk và sự nhiệt tình

giúp đỡ của anh chị em phòng mạng,dịch vụ đã giúp tôi việc tìm hiểu, tính toán thiết kế tuyến cáp quang từ Host BMT đến huyện Eahleo nhằm đáp tăng khả năng

dự phòng và sử dụng của địa phương Sau khi nghiên cứu và xây dựng đề cương,

em đã chia nội dung của đồ án làm 4 chương như sau:

* Chương 1: TỔNG QUANG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Trong chương này em giới thiệu các vấn đề lý thuyết liên quan đến hệ thống thông tin sợi quang,kỹ thuật ghép kênh quang WDM., cấu tạo của sợi và các thiết bị thu phát quang Các thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng đường truyền,

* Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỀN DẪN TẠI VIỄN THÔNG ĐĂKLĂK Nội dung này em tìm hiểu cấu trúc mạng và các thiết bị truyền dẫn quang hiện có tại Viễn thông ĐăkLăk

* Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG Trong chương này giới thiệu tổng quan về phương pháp thiết kế hệ thống

Chương cuối em thực hiện tính toán thiết kế thự tế một tuyến truyền dẫn quang

từ Host BMT đến huyện Eahleo

Trong quá trình làm đề tài mặc dù em đã cố gắng tìm tài liệu tham khảo nhưng vẫn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế , rất mong sự chỉ bảo của các thầy các cô

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả các thầy cô trong

Khoa Điện tử Viễn thông Cảm ơn thầy giáo:Ks.Lê Hồng Nam , đã tận tình hướng

dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1Giới thiệu chương

Nội dung trong chương này sẽ trình bày vấn đề chung nhất về hệ thống thông tin sợi quang, nguồn phát quang ở thiết bị có thể là LD hay LED, cả hai nguồn này đều phù hợp với hệ thống thông tin quang Bên cạnh đó, tín hiệu ánh sáng sau khi được điều chế tại nguồn phát thì sẽ được lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để đến phần thu Sợi quang có thể là sợi đơn mode hay sợi đa mode.khi truyền ánh sang trong sợi quang ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Phía thu, bộ tách sóng quang sẽ thực hiện việc tiếp nhận ánh sáng

và tách lấy tín hiệu từ bên phát đến và thường dùng các photodiode PIN hay APD Trong quá trình truyền ánh sang thì khoảng cách truyền dẫn rất quang trọng điều này làm ảnh hưởng tín hiệu quang, trong sợi quang sẽ bị suy hao nhiều v…v… Lúc này người ta thường dùng các bộ khuếch đại để bù lại lượng suy hao trên đường truyền

1.2 Các thành phần chính trong hệ thống truyền dẫn quang:

1.2.1 Cáp sợi quang:

Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang Gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ xung quanh để bảo vệ sự tác động có hại của môi trường

Cấu trúc sợi quang

Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp

vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc chất dẻo Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp

cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi

Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thường làm từ vật liệu polyme (như hình 1.2)

Hình 1.2: Cấu trúc Sợi quangThông thường đường kính lõi sợi quang là rất nhỏ khoảng từ 10 ÷ 50 μm, còn đường kính vỏ là 125 μm Do vậy sợi quang có kích thước rất nhỏ Khi đã bọc các lớp bảo vệ thì đường kính của sợi mới đạt được từ 200 ÷ 900μm

1.2.1.1 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất.

Sự phân bố chiết suất trong lõi sợi n(r) với chiết suất lớp bọc n2 như sau

(1.1)Với g là số mũ trong hàm chiết suất: g=1 dạng tam giác, g=2 dạng Parabol,g=∞ dạng bậc thang

r :khoảng cách từ trục đến điểm tính chiết suất

a : bán kính lõi sợi, b : bán kính lớp bọc sợi quang

Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index).

Đây là loại có phân bố chiết suất trong lõi không đổi, chiết suất lõi khác nhau

rõ rệt với chiết suất lớp vỏ phản xạ Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyền cùng vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau Do đó khi đưa một xung ánh sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một xung ánh sáng rộng hơn Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài

Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index).

Sợi chiết suất giảm dần là sợi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài

Sợi GI có phân chiết suất trong lõi hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đồng nhất mà nó thay đổi liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

1.1.1.2 Phân loại theo mode truyền dẫn.

Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng trái truyền ổn định của các đường này được gọi

là các mode sóng Góc lan truyền của mode càng nhỏ thì bậc của mode càng thấp

Hình 1.3: Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc SI

chiết suất

Sợi đa mode(MM: Multi Mode).

Đặc điểm của sợi đa mode là truyền đồng thời nhiều bước sóng Sợi đa mode

có thể là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc đa mode có chiết suất giảm dần

Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vào thông số của sợi trong đó có tần số chuẩn hóa V[3] V 2π a NA

λ

= (1.2) Với a bán kính lõi sợi quang, λ bước sóng làm việc

Số mode truyền trong sợi quang[3]

Hình 1.5 : Ánh sáng đi trong sợi đa mode

Sợi đơn mode (SM: Single Mode).

Sợi đơn mode là sợi chỉ có một mode sóng cơ bản lan truyền trong nó nhưng

khả năng về băng thông của sợi khá lớn Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất

phân bậc và chỉ truyền một mode sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không

Các Thông số của sợi đơn mode thông dụng : Sợi đơn mode có lõi rất nhỏ đường kính lõi thường khoảng từ 9 ÷ 10 μm, đường kính lớp bọc D= 125µm, độ lệch chiết suất tương đối ∆=0,003=0.3%, chiết suất lõi n=1,46(λ=1330nm) Khẩu độ

Hình 1.6 : Sợi quang đơn mode Chỉ số chiết suất

Xung đầu vào

Xung đầu ra

số NA=0,13÷1,18 Thường thì 20% ánh sáng được truyền vào sợi đơn mode bị khúc

1.3.1 Diode phát quang LED

Led được dùng làm nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống thống tin quang tốc độ thấp, cự li ngắn Led có 2 loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang là cấu trúc phát xạ mặt GaAs và cấu trúc phát xạ cạnh Với cấu trúc phát mặt thì sợi quang được gắn ở mặt của LED Loại này có cấu trúc đơn giản với lớp nền loại N và lớp phát loại P Ở mặt ngoài lớp P phủ một lớp chống phản xạ để ghép với sợi quang Khi các điện tử và lỗ trống khuếch tán sang P và N gặp hàng rào điện thế và dừng lại trong lớp hoạt tính Ở đây có các cặp lỗ trống - điện tử nên chúng tái hợp phát ra ánh sáng (ánh sáng phát ra của các loại LED này không kết hợp thành tia mạnh, không định hướng nên công suất phát vào sợi thấp)

Với cấu trúc phát cạnh ELED (Edge LED) có điện cực tiếp xúc bằng kim loại

phủ kín mặt trên và đáy làm cho ánh sáng không phát ra 2 mặt mà bị giữ lại trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp Lớp này rất mỏng, có chiết suất lớn được kẹp giữa

2 lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này hình thành nên một kênh dẫn sóng

để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lỏi sợi quang đồng thời chính cấu trúc này có

ưu điểm là vùng phát xạ hẹp và góc phát sáng nhỏ nhờ đó hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao ánh sáng có tính định hướng hơn LED phát mặt

Tuy nhiên nó có một hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của nó tăng khá cao đòi hỏi phải có tỏa nhiệt

Phiến toả nhệt

Vật liệu bao phủ

Sợi quangKim loại hoá

Cấu trúc

dị thể kép

Hình 1.7 Cấu trúc của LED tiếp xúc.[2]

Giải tiếp xúcKim loạiSiO2 cách điệnMiền hoạt tính

Toả nhiệt nhiệtChất nền

Lớp dẫn ánh

sáng

Hình 1.8 Cấu trúc của ELED.[2]

Đặc tính kỹ thuật của LED [1]

- Dòng điện hoạt động: 50mA ÷ 300 mA

- Điện áp sụt trên LED: 1.5 ÷ 2.5V

- Công suất phát quang : Là công suất phát tổng cộng do nguồn quang phát ra Công suất phát của LED 1÷ 3mW Đối với loại phát quang cao có thể là 10mW Các LED phát mặt có công suất phát cao hơn LED phát rìa với cùng dòng điện kích thích

Đặc tính kỹ thuật của ELED: [1]

- Công suất phát ra với sợi SM (250C, dòng điều khiển 150mA ): 2÷10mW

- Thời gian lên/xuống (rise time): 3ns max

- Độ rộng phổ nửa công suất: 80÷100nm

- Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra: 1,2% 0C

- Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ: 0,5 ÷0,8nm/ 0CHiệu suất ghép: Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát, góc phát quang của nguồn, góc thu nhận NA của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang vào sợi quang Thông thường hiệu suất ghép LED phát mặt 1÷5%, ELED phát rìa 5÷15% Từ đó ta thấy tuy công suất phát của LED phát mặt cao hơn LED phát rìa nhưng hiệu suất ghép vào sợi quang của LED phát rìa lại lớn hơn (thường lớn hơn khoảng hai lần)

- Độ rộng phổ: Thông thường trong khoảng 35 ÷ 100nm Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không giảm hơn một nửa mức công suất đỉnh

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng thì công suất giảm tuy nhiên mức ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED không cao

Ở bước sóng λ = 1300nm và 1550 nm, độ ảnh hưởng 2% ÷ 4%/ 0C

1.3.2 Laser Diode (LD)

Laser diode (Light Amplificaltion by Stimulate Emission of Radiation) Có cấu trúc tương tự như cấu trúc của diode phát xạ cạnh Tuy nhiên, bằng cách thêm vào cấu trúc giảm photon theo chiều ngang nên ánh sáng phát ra là ánh sáng kết hợp Nói chung , cũng giống như các loại Laser khác, nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn dựa vào bơm bên ngoài và sự khuếch đại ánh sáng bên trong

Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát Laser là các Laser bán dẫn và thường gọi chúng là LD Các loại Laser có thể là khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng là như nhau Hoạt động của Laser là kết quả của ba quá trình mấu chốt là: Hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Ba quá trình này tương tự cơ chế phát xạ ánh sáng

Các hệ thống thông tin sợi quang thường là có tốc độ rất cao, hiện nay nhiều

hệ thống thông tin sợi quang có tốc độ 2.5 Gbit/s đến 10 Gbit/s đã được đưa vào khai thác Băng tần của hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi khá lớn, như vậy các

LD sẽ phù hợp hơn so với các diode phát quang LED Các LD thông thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ trung bình từ 1nm đến 2 nm và nhỏ hơn, công suất ghép vào sợi quang đạt vài miliwatt

∆40nm

λ(nm)

800 850 900

1

0,50

P tương đối

Hình 1.9 - Độ rộng phổ của LED

Laser diode hoạt động theo nguyên tắc phát xạ kích thích Có cấu tạo gần giống với ELED Điểm khác biệt cơ bản là trong laser có 2 mặt phản xạ ở 2 đầu tạo

ra hốc cộng hưởng bị phản xạ lại qua hai mặt Trong quá trình di chuyển dọc theo hốc ánh sáng kích thích các phản xạ đồng thời kích thích các điện tử và lỗ trống để phát ra các photon mới Ánh sáng phát ra theo phương khác bị suy hao dần chỉ có ánh sáng phát ra theo chiều dọc được khuếch đại Mặt sau được phủ một lớp phản

xạ mặt còn mặt trước được cắt nhẵn để một phần ánh sáng phần còn một phần chiếu

ra ngoài

Đặc tính kỹ thuật: [1]

- Công suất phát 1 mW lên tới 50mW

- Góc phát sáng quang theo phương ngang của lớp tích cực trong khoảng 5 ÷

100, theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lên tới 400

- Hiệu suất ghép: Laser có vùng phát sáng nhỏ, góc phát hẹp nên có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao.Trung bình hiệu suất ghép trong khoảng:

30% ÷ 40% với sợi đơn mode SM

60% ÷ 90% với sợi đa mode MM

Để tăng hiệu suất ghép, sử dụng thêm thấu kính hội tụ đặt giữa nguồn và sợi

- Đặc tuyến bức xạ

Ingưỡng: 10 ÷ 20mA

Điện áp sụt trên Laser: 1.5V ÷2,5V

- Độ rộng phổ phát xạ của laser: là đặc tuyến tổng hợp khuếch đại (do bề rộng khe năng lượng thay đổi) và đặc tuyến chọn lọc hốc cộng hưởng quang (phụ thuộc

Hình 1.10 - Nguyên lý cấu tạo của LASER bán dẫn [1]

J

f

P P N

Tiếp giáp PNOxit cách điện

Dòng laser

LED : ∆λ = 35 ÷ 100nm.

LD : ∆λ = 1 ÷ 4nm

1.4 Thiết bị thu quang:

Phần thu quang: Gồm bộ tách quang và các mạch tạo khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và bị méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên

Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới Tín hiệu quang được biến đổi lại thành tín hệu điện

Các điốt quang kiểu thác(APD) và điốt quang (PIN) có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang Cả hai loại đều có hiệu suất làm việc và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang sẽ quyết định nên bước sóng làm việc của chúng Đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách sóng quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt

Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang Nó mô

tả công suất thu quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Nếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một số trạm tiếp vận được gọi là trạm lặp (Repeater) có sơ đồ khối như sau:

Trạm tiếp chuyển hay trạm lặp có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang lên và sửa lại dạng tín hiệu sau đó lại phát đi (tất cả quá trình trên đều làm ở dạng tín hiệu điện) Trạm lặp giúp cho bên thu thu tốt tín hiệu tránh lỗi do tán sắc

REPEATER

Thu quang

Sửa dạng

Phát quang

Hình 1.11: Sơ đồ khối trạm lặp

Tín hiệu quang Tín hiệu quang

Sợi quang Sợi quang

KĐ

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động photodiode PIN

Cấu tạo photodiode PIN

Cấu trúc cơ bản của Photodiode PIN gồm ba lớp bán dẫn, trong đó lớp i (intrinsic) là nột lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha tạp rất ít nên không có điện tử tự do và điện trở rất lớn Lớp này nằm giữa hai lớp p và n đóng vai trò hấp thụ ánh sáng tới và phân phối năng lượng cho vật liệu Quá trình hấp thụ photon xảy

ra trong lớp i để tách ra các điện tử và lỗ trống, lớp i rất rộng nên xác suất tiếp nhận photon ở lớp này cao hơn và do đó sự hấp thụ photon ở lớp này nhiều hơn hai lớp p,n Lớp i càng dày thì độ rộng của vùng nghèo càng lớn, thì hiệu suất lượng tử càng cao nhưng đồng thời thời gian trôi của điện tử sẽ càng chậm làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao của PIN

Lớp p thường rất mỏng để hấp thụ hết các photon vào lớp bán dẫn i, bề dày lớp p phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng vào bán dẫn nên ánh sáng có bước sóng càng dài thì khả năng thâm nhập vào bán dẫn càng lớn

Thêm vào đó để tránh gây tổn hao ánh sáng vào thì trên bề mặt của vùng nghèo có phủ thêm một lớp chống phản xạ

P

I N

Lớp chống phản xạ

Cách điện ( SiO2 )

Vòng tiếp xúc ( kim loại )

Tiếp xúc ( kim loại

)

Ánh sáng

Hình 1.12: Cấu tạo của diode thu quang PIN

Nguyên lý hoạt động

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động và sơ đồ vùng năng lượng của PIN

Để thiết bị hoạt động cần cấp một điện áp ngược từ bên ngoài để hút các hạt mang trong các vùng của photodiode về hai hướng khác nhau

Nguyên lý hoạt động của Photodiode PIN dựa trên hiệu ứng quang điện Khi chiếu một photon có năng lượng hν lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm vào bề mặt bán dẫn của Photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại một trong vùng hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (như hình 1.13) Sự phân cực ngược mối nối p-n tạo ra một điện trướng lớn trên vùng nghèo nên các điện tử thì bị hút về miền n vì có điện áp dương, còn các lỗ trống thì về phía miền p có điện áp âm Tất cả các phần tử mang điện này làm sinh

ra ở mạch ngoài một dòng điện, gọi là dòng photon

Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh sáng tới bị hấp thụ

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phát sinh ra một xung điện

ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ

1.4.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Photodiode thác APD (Avalanche

Photodiode)

Photodiode APD là loại Photodiode không chỉ có khả năng chuyển đổi quang điện như PIN mà còn có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong, tức là dòng quang điện do APD tạo ra có khả năng được khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế nhân hạt tải

Cấu trúc của APD

Về cơ bản, cấu trúc APD giống như cấu trúc của PIN nhưng APD bao gồm 4 lớp : p+ - i - p - n+ Bán dẫn p+, n+ là các bán dẫn pha tạp mạnh Vùng nhân hạt tải của APD được hình thành do bán dẫn p – n+

Nguyên lý hoạt động

Cũng dựa vào hiện tượng hấp thụ như các Photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống Bên cạnh đó, APD còn hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại dòng

Đặt một điện áp ngược vào APD hầu hết điện thế rơi vào tiếp giáp pn+ , ban đầu khi các photon được chiếu vào bề mặt APD, ánh sáng đi vào xuyên qua vùng p+ và được hấp thụ trong vùng vật lý i sản sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống Dưới

sự định hướng của điện trường ngoài lỗ trống di chuyển về phía p+ (nối cực âm của nguồn),còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp pn+ Các điện tử này qua vùng i đến

Hình 1.14 : a) Điện trường trong vùng trôi b) Cấu trúc APD

pn+ sẽ tăng tốc cho điện tử Khi những điện tử này đập vào các nguyên tử tinh thể bán dẫn tạo ra thêm các cặp điện tử và lỗ trống mới là những hạt mang điện thứ cấp, bản thân hạt mang thứ cấp lại được tăng tốc và tạo ra các hạt mang thứ cấp khác Khi điện áp phân cực ngược lớn, lực tăng tốc phải đủ mạnh thì hiện tượng khuếch đại xảy ra gây nên hiệu ứng “thác lũ” số lượng các phần tử mang điện tăng nhanh, dòng điện sinh ra được khuếch đại nhiều lần so với PIN.

Như vậy, APD đã thực hiện biến đổi dòng tín hiệu quang vào thành dòng tín hiệu điện ra, đồng thời khuếch đại dòng ra

1.5 Kỹ thuật ghép kênh quang

Hiện nay có thể nói nhờ những ưu việt của sợi quang mà các tuyến truyền dẫn

có thể truyền tín hiệu với tốc độ bit rất cao tính bằng đơn vị Gb/s Để nâng cao dung lượng đường truyền thì người sử dụng các bộ ghép kênh để truyền đa kênh trên một sợi quang mà phổ biến hiện nay sử dụng kỷ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

1.5.1.Sơ đồ khối của hệ thống WDM

Hệ thống thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng tận dụng được phổ rộng của sợi quang, do đó trên một sợi quang lúc này sẽ tồn tại song song nhiều kênh truyền tương ứng với các sóng mang quang khác nhau Hình 1.15 mô tả cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang đa kênh ghép theo bước sóng

Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang WDM

1.5.2 Ý nghĩa kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM.

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng có mục tiêu cơ bản là tăng dung lượng kênh truyền mà không phải tăng tốc độ bit đường truyền Áp dụng kỷ thuật WDM, không lắp đặt thêm sợi quang mà chỉ thực hiện ghép các luồng tín hiệu ánh sáng với bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Nguyên nhân ở đây là các nguồn phát có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin sợi quang thông thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có

M ạch điều khiển 1

Mạch điều khiển 1

Mạch điều khiển N

WDM

Khuếch đại phát

Phần phát quang

WDM

Tách sóng quang 1

Mạch điều khiển 1

Mạch điều khiển N

Tách sóng quang N

Phần thu quang

Tín hiệu điện

ra kênh 1

Tín hiệu điện

ra kênh N EDFA

1.5.3 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bước sóng.

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như hình 1.16 dưới đây: [1]

Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1,λ2

λr

Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang thông qua thiết bị ghép kênh (MUX) Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu và sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DMUX)

Có hai phương pháp thiết lập hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng quang Phương pháp 1: Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Hình 1.17

Phương pháp 2: Truyền dẫn WDM hai hướng là không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu, nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng

λ1 và đồng thời cũng phát đi thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2.Phương thức đó được mô tả như hình 1.18 [2]

Người ta chia thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại Các bộ ghép (MUX), các bộ giải, ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba (MUX -DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng Hình 1.19 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghép và giải ghép kênh hỗn hợp

Nguồn λ1

Nguồn λ2

Nguồn λN

Thiết bịWDM

Hình 1.17: Ghép bước sóng theo một hướng

Một sợi

Kênh vàoNguồn λ2

Thiết bịWDM

Hình 1.18 Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng

1.6 Khuyếch đại quang

Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu

là không thể tránh khỏi Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách

sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Trong các trạm lặp quang điện này, quá trình khuyếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuyếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuyếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang Như vậy, quá trình khuyếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier)

Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp

So với các trạm lặp,

1.6.1 Phân loại khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang ,quá trình khuếch dại ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài Tuỳ theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA

Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA, vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện

Trong khuếch đại sợi quang OFA, vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Nguồn cung cấp năng lượng là laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

Một trong những loại OFA tiêu biểu là EDFA EDFA có nhiều ưu điểm về đặc tính ký thuật so với SOA Ta sẽ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào EDFA ở phần tới

Ngoài ra, còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng

Trong thiết kế việc lựa chọn tùy theo đặc tính của từng loại Đồ án này sẽ đề cập đến bộ khuếch đại quang EDFA cùng các đặc tính cũng như ưu điểm của nó

1.6.2 Nguyên lý bộ khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không

có cộng hưởng trong khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang.Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình:

Hình 1.21 Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg =E2-E1 bằng nhauEv=Eg) Khi đó, điện tử

sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lượng photon Ev chính bằng năng lượng dải cấm Eg Khi đó, một điện tử ở mức năng lượng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất

ký lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát(ASE) Hiện tượng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại Như vậy, nếu mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ lớn Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt

1.6.3 Khuếch đại quang bán dẫn SOA

Các bộ khuếch đại quang bán dẫn hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên lý của Laser bán dẫn, nguyên lý khuếch đại được sử dụng trước khi xảy ra ngưỡng phát xạ Laser, tức là dao động tương ứng với dòng điện nhỏ hơn dòng ngưỡng của Laser, hoặc hệ số phản xạ của hai mặt phản xạ của vùng tích cực nhỏ khi đó quá trình phản

xạ cộng hưởng và tự phát xạ ánh sáng sẽ không xảy ra

Nguồn bơm bên ngoài được cung cấp bởi dòng điện phân cực làm tín hiệu quang được khuyếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra trong vùng tích cực được đặt giữa hai lớp bán dẫn loại n và p.Tuy nhiên các tín hiệu quang khác nhau được khuếch đại đồng thời trong cùng một bộ khuếch đại làm xuất hiện nhiễu xuyên âm, nhiễu xuyên âm do thời gian sống của điện tử ở trạng thái năng lượng cao ở mức ns nên bị ảnh hưởng của sự thăng giáng công suất tín hiệu vào dẫn đến xuyên âm làm suy giảm hệ thống ngoài ra nó còn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ nên ít được sử dụng rộng rãi làm bộ khuếch đại trong hệ thống truyền dẫn quang

1.6.4 Khuếch đại quang sợi EDFA

Hiện nay, các bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng rất rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang, và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa kênh ghép theo bước sóng WDM

Bộ EDFA có băng tần khuếch đại khá rộng, có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525-1600nm

1.6.4.1 Cấu trúc cơ bản.

Hình 1.22 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA[1]

Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, nó gồm sợi pha tạp Erbium và các thành phần thiết yếu khác như: Laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang WDM, bộ cách li quang Isolator

Sợi pha tạp Erbium (gọi là sợi EDF): thành phần chính là một đoạn sợi quang lõi sợi là thủy tinh pha trộn đất hiếm Erbium với nồng độ ít hơn 0,1 phần trăm Erbium, có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét

EDF thường có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với sợi tiêu chuẩn Các iôn Erbium tập trung ở phần trung tâm của lõi Ngoài sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc đoạn sợi quang pha tạp là hoàn toàn giống với cấu trúc của sợi đơn mode Lớp vỏ thủy tinh có chỉ số chiết suất thấp hơn được bao quanh lõi để hoàn thiện cấu trúc dẫn sóng Đường kính ngoài của lớp vỏ này là 125μm

Sợi này được xem là sợi tích cực vì chúng có khả năng khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp

1.6.4.2 Nguyên lý hoạt động của bộ EDFA

Hình1.23 Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch EDFA[1]

Để thu được độ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng gọi là năng lượng bơm cho sợi pha tạp Erbium

Các LD được dùng làm nguồn bơm cung cấp năng lượng với công suất 10mW đến 100 mW với bước sóng bơm 980nm hoạc 1480nm

Bộ ghép bước sóng thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium

Các bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như phản

xạ Rayleigh từ bộ nối quang, phản xạ ngược từ bộ khuếch đại giúp tăng khả năng khuếch đại và giảm nhiễu

Hình 1.24 Quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530Ánh sáng bơm sẽ được truyền dọc theo sợi EDF các iôn Erbium thông qua sự hấp thụ năng lượng các ion Er3+ này sẽ chuyển từ trạng thái đất lên các trạng thái mức năng lượng phía trên 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2 (mức năng lượng cao hơn ) tùy theo bước sóng bơm 1480nm hoặc 980nm hoặc 800nm Các ion ở mức năng lượng cao hơn mức năng lượng trạng thái siêu bền sẽ nhanh chóng phân rã không phát xạ và chuyển xuông trạng thái siêu bền, trạng thái mà mức năng lượng của ion Er3+ tồn tại lâu nhất.

Khi tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF đến gặp các ion Er3+ đã được kích thích và phân bố dọc theo lõi sợi sẽ xảy ra quá trình bức xạ kích thích Quá trình này sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng như tín hiệu tới, làm cho tín hiệu đầu ra tại EDF lớn hơn đầu vào

Các ion được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát xuống trạng thái đất

Phát xạ tự phát SE( Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên một phần nhỏ được giữ lại trong mode quang nó trở thành nguồn nhiễu, nó cũng được khuếch đại tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE(Amplifier Spontaneous Emission) làm giảm tỉ số tín hiệu nhiễu trong quá trình truyền

1.6.4.3 Dải khuếch đại EDFA

Dải khuếch đại là dải bước sóng mà EDFA có thể khuếch đại được Hình 1.25 cho thấy hình dạng và vị trí dải khuếch đại được xác định như một hàm theo bước sóng, được quy ước là băng C bước sóng giữa 1530nm và 1565nm có dải khuếch đại EDFA tương đối bằng phẳng, công suất khuếch đại cao và ổn định

Dải khuếch đại bước sóng giữa 1570nm và 1600nm gọi là dải L Hiện nay hầu hết EDFA đang được sử dụng ở băng C với bước sóng bơm 980 nm

Hinh 1.25 Dải khuếch đại của EDFA[1]

1.6.4.4 Độ khuếch đại

Độ khuếch đại ở khoảng bước sóng 1530nm và 1565nm mà tại đó EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất, là các đặc tính quan trọng của EDFA dùng trong hệ thống thông tin quang

Hệ số này của EDFA phụ thuộc nhiều vào thông số của linh kiện như : nồng

độ iôn Er+3, chiều dài sợi pha tạp L (độ dài khuếch đại), bán kính lõi sợi , công suất bơm ,cấu hình bơm

Hình 1.26(a) Hệ số khuếch đại với hàm công suất bơm của EDFA ở bước sóng 1480

(b)chiều dài khếch đại của EDFA ở bước sóng 1480

Ở hình 1.26a, ta thấy khi công suất bơm tăng thì độ khuếch đại tăng theo, còn hình 1.26b thì độ khuếch đại và chiều dài tối ưu gần như thay đổi tuyến tính với công suất bơm, công suất tăng độ khuếch đại tăng, chiều dài tối ưu tăng

Vì công suất bơm và công suất tín hiệu thay đổi dọc theo chiều dài sợi pha tạp bởi hấp thụ, phát xạ cưỡng bức và phát xạ ngẫu nhiên nên ta có độ khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài khuếch đại khi dòng bơm là cố định Tuy nhiên khi độ dài

L lớn hơn giá trị tối ưu của dòng bơm, đoạn sợi pha tạp thừa sẽ không được bơm đủ

và trong bộ khuếch đại sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ tín hiệu đã được khuếch đại ở trước thì độ khuếch đại ra của EDFA giảm

1.6.5Khuếch đại quang Raman

Khuếch đại quang Raman (Raman Optical Amplifier:ROA): dựa trên cơ sở tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường có tán xạ Raman mạnh Môi trường tán

xạ Raman là sợi quang có pha tạp Ge với nồng độ cao và có cấu trúc dẫn sóng phức tạp (sợi quang bù tán sắc –DCF) Khác với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, yêu cầu đối với ROA là nguồn bơm có công suất cao (vài trăm miliwatt trở lên) và sợi quang có độ dài từ vài kilômét đến vài chục kilômét Khuếch đại quang Raman

sử dụng trong hệ thống thông tin quang chủ yếu dựa vào sóng Stoke phát ra từ tán

xạ Raman trên các phân tử trong sợi quang Do sóng Stoke từ tán xạ Raman yếu, vì vậy sợi quang cần phải có độ dài lớn (hàng chục kilômét) để tích luỹ sóng Stoke dọc theo sợi quang Đây là điều khác biệt rất cơ bản giữa ROA và EDFA

1.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang

1.8.1 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang.

Suy hao

Khái niệm: Suy hao quang là thông số có liên quan đến sự thay đổi công suất

trong qúa trình lan truyền Suy hao công suất ∆P với công suất quang đầu vào Pin ,

công suất quang lối ra Pout của sợi có chiều dài L, với α là hệ số suy hao tín hiệu

trung bình của sợi quang [dB/km]

P= L= -10lg out

in

P P

Đặc tuyến suy hao do hấp thụ và do tán xạ theo bước sóng

Đặc tuyến suy hao của sợi quang như hình 1.27 cho thấy suy hao trong sợi quang như một hàm theo bước sóng Có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp đó là:

850nm,1300nmvà 1550nm còn gọi là 3 cửa sổ suy hao:

Hình 1.27 : Phổ suy hao do hấp thụ và tán xạ trong sợi quang.

Cửa sổ thứ nhất ở bước sóng 850nm suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2

÷ 3 dB/km Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao đó chưa phải là thấp nhất.Cửa sổ thứ hai ở bước sóng 1300nm: suy hao ở bước sóng này tương đối thấp, khoảng từ 0,4 ÷ 0,5 dB/Km Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được

sử dụng rộng rãi Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2dB/Km

1.8.2 Suy hao do hấp thụ.

Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản chất suy hao của sợi dẫn quang Bản chất ánh sáng là các hạt photon, mà sợi quang cũng là vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể, nên các iôn hay điện tử ở đầu nút mạng có thể hấp thụ photon khi ánh sáng truyền qua sợi quang Sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng và bản chất của vật liệu hấp thụ Cụ thể, trong quá trình sản xuất sợi quang có rất nhiều tạp chất như các iôn kim loại (Fe,Cu, Cr…) hoặc các iôn

OH- Các iôn này gây nên các đỉnh hấp thụ tại bước sóng chính là 2700nm và các đỉnh sóng phụ như 940nm; 1240nm; 1390nm… gây ảnh hưởng đến sóng lan truyền trong sợi Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang, các dải hấp thụ là hấp thụ cực tím ở bước sóng λ < 400nm và hấp thụ hồng ngoại ở bước sóng λ >7000nm như hình 1.27.

1.8.3 Suy hao do tán xạ:

Suy hao do tán xạ bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ do mặt phân cách giữa lõi

và lớp bọc không hoàn hảo

Tán xạ Rayleigh: xảy ra do cấu trúc vi mô của sợi quang, đó là những khuyết tật hay nhiễu lọan trong sợi do những thay đổi về cấu trúc phân tử và nguyên tử của thủy tinh do những thay đổi về mật độ và thành phần sợi Những thay đổi này do quá trình sản xuất sợi tạo ra nó gây nên sự thay đổi về chiết suất dẫn đến thay đổi đường đi ,sự phản xạ của tia sáng tại những điểm trên lõi sợi mà ta có thể gọi là các tâm tán xạ

Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần muời bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ Các tia truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phần năng lượng ánh sáng truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác thậm chí còn truyền ngược lại nguồn quang

Hình 1.28 : Sự tán xạTán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: đó là khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng bị tán xạ Lúc đó 1 tia tới có nhiều tia phản xạ với nhiều góc phản xạ khác nhau những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần

Những suy giảm bởi sự tán xạ là một quá trình tuyến tính, bởi nó không gây ra

sự dịch tần, bước sóng trước và sau tán xạ không thay đổi

1.8.4 Suy hao do uốn cong sợi

Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong và thay đổi về bán kính cong của sợi thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng

lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao Có hai loại suy hao do uốn cong là : suy hao

do uốn cong cỡ nhỏ (vi uốn cong) và suy hao do uốn cong cỡ lớn

Suy hao do uốn cong cỡ lớn xảy ra khi bán kính cong của sợi giảm dẫn đến một số tia sáng không còn đảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần và dẫn đến giảm số lượng tia sáng truyền trong lõi sợi Do đó khi bán kính cong giảm thì mức suy hao

sẽ tăng

Suy hao do uốn cong cỡ nhỏ (vi uốn cong): là do các uốn cong có bán kính cong nhỏ, xuất hiện do trong quá trình cài đặt, đo kiểm có các lực tác động ngẫu nhiên lên sợi quang làm sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ làm méo dạng và thay đổi các góc lan truyền của các tia sáng làm cho suy hao của sợi tăng lên do tia sáng bị lệch trục đi qua những chỗ vi uốn cong đó Ánh sáng sẽ bị mất mát ra ngoài vỏ sợi

1.8.5 Hiện tượng tán sắc

Xét về mặt thời gian sự dãn rộng xung ánh sáng khi lan truyền trên một khoảng đường truyền nhất định trong sợi quang được gọi là hiện tượng tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital

vì khi tín hiệu bị méo dạng do xung bị dãn ra sẽ phủ trùm lên các xung bên cạnh cho đến khi vượt quá giới hạn nào đó thì thiết bị phía thu không còn phân biệt được các xung kề nhau nữa bấy giờ sẽ xuất hiện lỗi bít, tỉ số lỗi bít BER tăng lên Như vậy, đặc tính tán sắc đã hạn chế tốc độ bít và dung lượng truyền dẫn của sợi

Hình 1.29 : Vi uốn cong do các lực bên ngoài.

Hình 1.30 Mô tả sự giãn nở xung do tán sắc khi ánh sáng truyền trong sợi

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký iệu là D có đơn vị là giây [s] được xác định bởi 2 2

o i

D= τ − τ (1.5)

trong đó τi ,τo là độ rộng xung vào và xung ra

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

Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì được tính bằng ps/nm.km

Các nguyên nhân chính gây ra tán sắc và cũng là các loại tán sắc chủ yếu đó là : tán sắc mode, tán sắc màu (gồm tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng) và tán sắc phân cực mode

1.8.6 Tán sắc mode.

Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lượng ánh sáng phân thành nhiều mode Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền trong sợi

cũng khác nhau, và xảy ra hiện tượng tán sắc Loại tán sắc này chỉ xảy ra trong sợi đa mode

Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước bán kính lõi sợi đa mode, nếu đường kính lõi càng lớn lõi càng chứa được nhiều ánh sáng và sẽ có số lượng mode nhiều hơn Ngoài ra bước sóng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode,nếu khẩu độ số NA càng lớn thì số mode truyền càng nhiều, ánh sáng thu được càng cao Như vậy số mode trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi d,khẩu độ số

với tần số chuẩn hóa 2 2

Hình 1.31 : Các tia sáng truyền với góc khác nhau tương ứngvới các mode trong sợi quang đa mode

Tia kinh tuyến truyền trong các sợi đa mode (chiết suất nhảy bậc và biến đổi)

sẽ đi theo các đường khác nhau với quãng đường khác nhau Góc truyền lan của tia càng dốc thì tia đi càng chậm Do đó những tia có mode truyền ở góc truyền tới hạn

αc là những tia có thời gian truyền lớn nhất tc = tmax

Những tia có mode truyền dọc theo tâm sợi (mode 0) có thời gian truyền là nhỏ nhất t0 = tmin

Ta có độ tán sắc mode chính là độ trải rộng xung ∆TSI: tmin

Dmode=∆TSI=tmax-Mode truyền ở góc truyền tới hạn truyền đến đầu thu mất thời gian :

1 max

2 21

= là vận tốc ánh sáng đi trong lõi chiết suất n1

1 1 2 1 mode

∆ = là độ chênh lệch chiết suất.

Giữa hai sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và chiết suất biến đổi thì sợi chiết suất biến đổi có độ méo tín hiệu ít hơn Do chiết suất lõi trong sợi MM-GI giảm dần

từ trục sợi ra phía vỏ, nên các tia sáng có đường đi gần ranh giới tiếp giáp vỏ - lõi sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục sợi cho nên cân bằng được thời gian truyền

Tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu là gây ra sự hạn chế tốc độ bit trong hệ thống thông tin quang, sử dụng sợi đa mode Để khắc phục tán sắc mode người ta

đã chế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng gọi là sợi đơn mode, sợi đơn mode khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode, nên tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể và tăng được cự ly thông tin

1.8.7 Tán sắc vận tốc nhóm (tán sắc màu)

Đối với sợi đơn mode thì tán sắc màu (hay còn gọi là tán sắc vận tốc nhóm) thì lại là nguyên nhân gây hạn chế tốc độ bit, tán sắc vận tốc nhóm gồm có hai thành phần là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

Sợi đơn mode chiều dài L

Một thành phần phổ riêng biệt tại tần số ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi bị trễ một

d d

ω

ν = βVới β là hệ số truyền sóng 2 n 2 fn n

Nếu gọi ∆ω là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mở rộng xung khi truyền qua sợi có chiều dài L là :

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/(km.nm)

Từ (1.22) D được viết lại

khoảng bước sóng nhất định, chỉ số chiết suất trong sợi dẫn quang thay đổi theo bước sóng nên các thành phần phổ khác nhau sẽ truyền đi với các tốc độ khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng gây nên hiện tượng tán sắc hiện tượng này được gọi là tán sắc vật liệu.

Chiết suất phụ thuộc vào bước sóng theo công thức Sell Meier :

ωβ

ω Trong đó : βi ,ωi là cường độ và tần số cộng hưởng tương ứng

M là tham số phụ thuộc vào vật liệu (ví dụ Mthủy tinh =3)

Về mặt vật lý, tán sắc chất liệu cũng cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi

nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất liệu DM là [ps/nm.Km]

1.8.9 Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng

Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng,

sự phân bố này gây nên hiện tượng tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode

Cũng như tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng là do sự tán sắc bên trong mode Ánh sáng truyền trong sợi không phải là đơn sắc, nó chiếm một độ rộng phổ

Δλ nào đó Vì hằng số lan truyền β là β = 2 nπ

λ do đó nó phụ thuộc vào phổ (bước sóng) ánh sáng và kích thước của lõi sợi Mặt khác phạm vi mở rộng xung ∆T chịu

ảnh hưởng của hệ số lan truyền β : T L d22