nghiên cứu, thiết kế tuyến thông tin cáp quang vinh - đà nẵng

Trong hệ thống thông tin quang tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng , môi trường truyền dẫn là sợi quang.. Tín hiệu cần truyền từ điện thoại , các thiết bị đầu cuối , fax , máy tí

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển chung của nhân loại thì trong lĩnh vực thông tin cũng

có những bước phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu của cuộc sống ngày nay Các hệ thống thông tin truyền thống như thông tin vô tuyến , thông tin hữu tuyến ngày càng có những biến đổi cả về chất lẫn lượng Nhu cầu thực tế yêu cầu các hệ thống truyền dẫn thông tin phải có dung lượng lớn , tốc độ truyền tin rất cao mà các hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến không đáp ứng được Một trong những bước phát triển mang tính nhảy bậc trong lĩnh vực thông tin là việc sử dụng ánh sáng , sóng điện từ vùng bước sóng rất nhỏ ( μm ) – vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại để truyền tải thông tin , từ đó công nghệ thông tin quang ra đời Các hệ thống thông tin quang được nghiên cứu , phát triển và ngày càng đựơc ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn

Trong hệ thống thông tin quang tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng , môi trường truyền dẫn là sợi quang Cáp quang ngày càng được nhiều nước sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình , nó là một phương tiện truyền dẫn tốt trong thời bình cũng như trong thời chiến Nó đóng vai trò đa năng trong truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thông chất lượng cao , đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu , phục vụ hội nghị truyền hình , truy cập dữ liệu từ xa , truyền dẫn các tập thông tin đa phương tiện …Cáp quang sẽ dần thay thế các dây dẫn kim loại cồng kềnh và tổn kém bằng nhiều phương pháp : chôn dưới đất , treo và mắc theo cột điện … nó sẽ được triển khai đến từng người sử dụng , giúp cho việc liên kết mọi người với nhau Cùng với sự phát triển của khoa học

và công nghệ , chất lượng truyền dẫn củ các hệ thống thông tin ngày càng được nâng lên theo hướng tăng tốc độ truyền dẫn B , cự ly truyền dẫn L , tăng độ tin cậy ( giảm tỷ số lỗi bit BER) , giảm chi phí dịch vụ và giá thành đầu tư ban đầu

Ở Việt Nam ta trong những năm qua Tổng cục Bưu điện đã thực hiện chủ trương cáp quang hoá mạng lưới thông tin quốc gia và các mạng thông tin nội

hạt Nhiều hệ thống thông tin cáp quang đang được xây dựng và khia thác có hiệu quả phục vụ cho mục đích quân sự nói riêng và góp phần vào phát triển kinh tế nói chung Nhu cầu tìm hiểu , phát triển và ứng dụng hệ thống thông tin

quang ở nước ta ngày càng lớn Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : “ Nghiên cứu,

thiết kế tuyến thông tin cáp quang Vinh – Đà Nẵng” làm đồ án tốt nghiệp

Tôi chọn phương pháp thực hiện đề tài là nghiên cứu lý thuyết , tổng hợp các kiến thức liên quan , trên cơ sở đó thiết kế một tuyến thông tin cáp quang , thực

tế là tuyến Vinh – Đà Nẵng Đây là một tuyến quan trọng trong trục thông tin dọc miền Trung của đất nước Ngoài phần mở đầu và kết luận , đồ án gồm hai chương :

- Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

- Chương II : Thiết kế , thi công , kiểm tra tuyến thông tin cáp quang đã được thiết kế

CH¬ng 1:tæng quan vÒ hÖ thèng tin quang

1.1.1.Lịch sử phát triển của thông tin quang

Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con

người qua đôi mắt về sự vật hiện tượng Từ xa xưa , con người đã biết dùng lửa khói để truyền thông tin như đèn hiệu , đèn hải đăng … Năm 1971 , V.C Chappe phát minh ra máy điện báo quang sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn , cũng như các phương tiện thông tin trước nó phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết , khoảng cách truyền dẫn không lớn , tốc độ thấp ( < 1 bit./s ) Năm 1880 , A.G.Bell phát minh ra máy điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị quang thoại có khae năng biến đổi từ tín hiệu âm thanh thành tín hiệu ánh sáng

Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến

Nửa sau thế kỷ 20 , thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của Laze ( 1958 ) , việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi quang đã tạo bước đột phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin quang vào cuộc sống

Trong vòng 20 năm ( 1974 ÷ 1992 ) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc

- Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triển khai vào năm 1978 , làm việc ở bước sóng 0,85 µm , tốc độ truyền tin vào khoảng 50 ÷ 100 Mb/s , khoảng lặp đạt 10 Km , tổn hao sợi quang αs= 20 dB/s

- Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu những năm

1980 , bước sóng làm việc 1,3 µm , khoảng lặp 20 Km , tốc độ truyên tin mới đạt 100 Mb/s do hiệu ứng tán sắc trên sợi quang đa mode Điểm hạn chế trên đã được khắc phục nhờ sử dụng sợi quang đơn mode Năm 1987 thế hệ thông tin quang 1,3 µm thứ hai có tốc độ 1,7 Gb/s , khoảng lặp 50

Km đã được đưa vào sử dụng Khoảng lặp của thế hệ này bị giới hạn bởi tổn hao sợi quang tại bước sóng 1,3 µm ( αs= 0,5 dB/Km)

- Năm 1990 thế hệ thông tin thứ ba của thông tin quang được đưa vào khai thác , bước sóng công tác là 1,55 µm , αs= 0,2 dB/Km , tốc độ truyền tin 2,4 Gb/s và khoảng lặp đạt 100 Km

- Thế hệ thứ tư của thông tin quang liên quan tới việc tăng tốc độ truyền tin nhờ ghép kênh theo tần số và tăng khoảng lặp nhờ dùng các bộ khuếch đại quang Năm 1990 các bộ khuếch đại quang xuất hiện , bắt đầu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thông tin quang Hệ thống thông tin quang kết hợp ( Coherent ) ra đời và phát triển Trong phòng thí nghiệm , người ta đã thành công khi truyền tin ở tốc độ 2,4 Gb/s xa hơn 21.000 Km và truyền tin

ở tốc độ 5 Gb/s xa hơn 14.300 Km

- Thế hệ thứ năm của thông tin quang đã đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện trong phòng thí nghiệm dựa trên việc duy trì hình dạng xung quanh trong quá trình truyền trong sợi quang không tổn hao nhờ hiệu ứng tán sắc bằng sợi quang phi tuyến Năm 1988 người ta đã chứng minh được tính khả thi của đường truyền số liệu vượt 4.000 Km bằng cách bù tốn hao sợi quang nhờ tán xạ kích thích Raman Một số hệ thống truyền dẫn thí nghiệm đã vượt khoảng cách 1.000 Km với tốc độ truyền tin 10 Gb/s và vượt khoảng cách 350 Km với tốc độ 20 Gb/s

1.1.2.Xu hướng phát triển của thông tin quang trong tương lai.

Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể , kỹ thuật thông tin quang vẫn

phát triển với tốc độ nhanh theo hướng hoàn thiện kỹ thuật truyền dẫn , chuyển mạch , xử lý tín hiệu quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và tăng khoảng lặp Các xu hướng phát triển của thông tin quang trong thời gian tới có thể là :

- Sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có

- Phát triển sợi quang bằng vật liệu mới như sợi Flor thay cho vật liệu truyền thống Silic , Suy hao của loại sợi này rất thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly trạm lặp có thể đạt hàng ngàn Km

- Phát triển vi mạch quang tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC Phương pháp này kết hợp xử lý tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng một chip từ đó tăng khả năng và tốc độ xử lý tín hiệu

- Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp , các trạm lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện rồi khuếch đại , phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đổi sang tín hiệu quang truyền đi Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối tiền khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy phát

- Cải tiến các linh kiện thu , phát quang Linh kiện phát được phát triển theo hướng : tăng công suất phát , giảm độ rộng phổ , tăng giải thông điều chế , giảm dòng ngưỡng và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ Linh kiện thu phát triển theo hướng : tăng độ nhạy , tăng dải thông , giảm dòng tối , giảm ảnh hưởng của điện áp phân cực (đối với diode quang thác ADP )

1.2.Hệ thống thông tin quang

1.2.1 Mô hình hệ thống thông tin quang

K§

S.quang

D÷ liÖu M¸y tÝnh Fax

xö lý tÝn hiÖu

®iÖn

O/E O/E E/O

E/O

xö lý tÝn hiÖu

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang

Tín hiệu cần truyền từ điện thoại , các thiết bị đầu cuối , fax , máy tính …được qua bộ xử lý tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi điện quang ( E/O) , các tín hiệu điện “ 1” và “0” (tín hiệu số ) được biến đổi thành tín hiệu quang “có” và

“không” qua sợi quang (FO) để truyền tới đầu kia của hệ thống Các tín hiệu

xung truyền trong sợi quang bị suy giảm về công suất , bị giãn về độ rộng xung ( méo dạng ) Tại bộ biến đổi quang điện ở đầu kia của hệ thống thì các tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng ,khôi phục nguyên dạng tín hiệu đã gửi đi rồi qua bộ xử lý tín hiệu điện đi tới các thiết bị đầu cuối Các bộ biến đổi điện - quang có thể là diot phát quang LED , diode laze LD ,các bộ biến đổi quang - điện có thể là điode thu quang PIN , điode quang thác ADP Khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì cần thiết phải có thêm các trạm lặp đường dây Tại đây nó biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi qua bộ khuếch đại , sửa dạng và cuối cùng lại biến đổi trở lại tín hiệu quang để tiếp tục truyền trong sợi quang tới phía thu

Các hệ thống thông tin quang rất đa dạng Dựa vào dạng tín hiệu truyền chúng chia thành hệ thống thông tin quang sọi và tương tự Dựa theo dạng tách sóng quang chúng chia thành hệ thống thông tin quang tách sóng trực tiếp và tách sóng đồng bộ Dựa trên cấu trúc mạng chia thành ba loại : mạng điểm nối điểm , mạng hình sao , mạng phân bố Hệ thống quang sợi rất thích hợp với việc truyền dẫn tín hiệu số nên hầu hết các hướng phát triển của hệ thống quang sợi đều tập trung theo hướng này Ở phần này ta tìm hiểu về hai hệ thống quang sợi phổ biến hiện nay là :hệ thống quang sợi số điều chế cường độ , tách sóng trực tiếp (IM/MD) và hệ thống quang sợi số tách sóng đồng bộ (COHERENT)

1.2.2.Hệ thống thông tin quang IM/MD

a Sơ đồ khối chức năng của hệ thống IM/MD

Hệ thống thông tin quang IM/MD sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ IM (inténity) ở máy phát và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detection ) ở máy thu Đây là hệ thống thông tin quang có kỹ thuật không quá phức tạp , giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta

đồng bộ

Tách kênh

điện

Giải mã

Quyết

định

KĐ cân bằng Nguồn thu

quang

Tách kênh quang

Trạm lặp

Ghép kênh quang

Nguồn phát quang

Kích thích

Mã

hoá

Ghép kênh

điện

Hỡnh 1.2.Sơ đồ chức năng hệ thống thụng tin quang IM/DD

Hệ thống IM/MD gồm bốn phần lớn : thiết bị đầu cuối phỏt quang, thiết bị đầu cuối thu quang , sợi quang và trạm lặp

b Thiết bị đầu cuối phỏt quang

Cú nhiệm vụ nhận tớn hiệu vào dạng điện và biến đổi thành tớn hiệu ra tương

ứng dạng quang truyền vào sợi quang

- Bộ ghộp kờnh điện ( MUX ) : thực hiện ghộp kờnh tớn hiệu số dạng điện kiểu điều chế xung mó PCM cỏc cấp khỏc nhau theo cấp số của C.ÂU , Bắc

Mỹ hay Nhật Bản thành luồng dữ liệu đi vào bộ mó hoỏ

- Bộ mó hoỏ (CODES) : biến đổi mó tớn hiệu ra bộ kờnh thành mó đường truyền phự hợp với mụi trường truyền dẫn là sợi quang và thuận tiện cho việc khụi phục đồng hồ , giỏm sỏt ,nõng cao khả năng phỏt hiện ,sửa chữa lỗi của hệ thống

- Bộ kớch thớch : tạo tớn hiệu dũng điện đủ lớn để điều chế cường độ (cụng suất ) mỏy phỏt quang

- Nguồn phỏt quang (E/O) :biến đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang

- Bộ ghộp kờnh quang : thực hiện ghộp nhiều luồng tớn hiệu quang từ cỏc nguồn quang khỏc nhau để cựng truyền trờn một sợi quang Với hệ thống

thụng tin đơn kờnh thỡ khụng cú bộ ghộp kờnh quang cũn hệ thống thụng tin quang đa kờnh thỡ bắt buộc phải cú bộ ghộp kờnh quang

c Thiết bị đầu cuối thu quang

Cú nhiệm vụ thu nhận tớn hiệu quang từ sợi quang rồi biến đổi thành tớn hiệu

điện đầu ra tương ứng

- Bộ tỏch kờnh quang :làm nhiệm vụ tỏch cỏc kờnh quang từ nguồn tớn hiệu

đa kờnh quang tới cỏc nguồn thu quang tương ứng Trong hệ thống thụng tin đơn kờnh thỡ khụng cú bộ tỏch kờnh quang

- Nguồn thu quang (O/E):thực hiện biến đổi tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện Ở đõy việc tỏch súng quang được thực hiện trực tiếp nhờ cỏc photodiode

- Khuếch đại cõn bằng : khuếch đại tớn hiệu sau tỏch súng quang sau đú san bằng và lọc nhằm nõng cao tỷ tớn/tạp ở mạch phục hồi

- Mạch phục hồi :gồm mạch quyết định và mạch đồng hồ , cú nhiệm vụ tỏi tạo xung tớn hiệu và định thời xung đồng bộ hồ

- Bộ giải mó (DECODES) : biến đổi tớn hiệu từ dạng mó đường truyền về dạng mó thớch hợp đưa tới bộ tỏch kờnh điện

- Bộ tỏch kờnh điện (DEMUX) : tỏch tớn hiệu số cấp cao đưa đến thành tớn hiệu số cấp thấp tới cỏc thiết bị đầu ra tương ứng

d.Trạm lặp

Cú nhiệm vụ khuếch đại tớn hiệu đủ lớn để bự trừ với sự suy hao trờn sợi quang trong tuyến Trạm lặp cú hai dạng sau :

b)a)

Biến đổi quang

điện

Bộ KĐ

quang

Biến đổi quang

điện

KĐ và khôi phục

H ỡnh 1.3.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp

- Hỡnh 1.3 a là dạng trạm lặp điện quang (trạm lặp giỏn tiếp ) đang được sử dụng rộng rói Khối biến quang điện (O/E) và khối biến đổi điện quang (E/O)

ở đầu vào và đầu ra trạm lặp thực hiện nhiệm vụ biến đổi tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện và ngược lại Khối khuếch đại và khụi phục sẽ khuếch đại tớn hiệu do sự suy giảm trờn đường truyền , sửa dạng tớn hiệu bị mộo , khụi phục xung đồng hồ và tỏi sinh tớn hiệu để đưa vào khối điều chế bộ biến đổi điện quang

- Hỡnh 1.3.b là dạng trạm lặp dựng bộ khuyếch đại quang (trạm lặp trực tiếp ), tớn hiệu quang bị suy giảm trờn đường truyền được khuếch đại trực tiếp đủ để bự với lượng suy giảm Mụ hỡnh trạm lặp này được dựng nhiều trong cỏc tuyến thụng tin quang xuyờn đại dương

1.2.3 Hệ thống thụng tin quang COHERENT

a.Sơ đồ chức năng hệ thống thụng tin quang COHERENT

Laze Bộ điềuchế Bộ trộnquang Tách sangquang Khuyếchđại

AFC Laze nội

Giải điều chế

Điều chỉnh phân cực

Hỡnh 1.4.Sơ đồ khối chức năng hệ thống thụng tin Coherent

Do những tiến bộ của kỹ thuật và cụng nghệ nờn đó ra đời hệ thống thụng tin quang kết hợp Coherent (1980) và được nghiờn cứu , ứng dụng thử nghiệm vào đầu thập kỷ 90 Trong hệ thống quang kết hợp sự đổi tần số súng mang được sử dụng ở mỏy thu quang bằng cỏch trộn trường quang tớn hiệu với trường quang laze nội và cộng tuyến tớnh ở đầu ra bộ trộn ( tương tự như kỹ thuật thu vụ

tuyến đổi tần ) Hệ thống Coherent có những điểm ưu việt hơn hệ thống IM/MD là:

+ Độ nhạy của máy thu quang cải thiện hơn 20 dB so với máy thu IM/MD (tách sóng trực tiếp ) , từ đó có thể tăng cự ly truyền dẫn (trạm lặp ) lên nhiều khi cùng công suất phát

+ Có thể sử dụng hiệu quả độ rộng băng tần của sợi quang nhờ kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng (WDM)

b.Máy phát quang.

Gồm Laze và bộ điều chế ngoài , ở đây sử dụng các laze đơn mode có đường phổ hẹp (thường dùng loại DFB hoặc laze có hộp cộng hưởng ngoài , độ rộng phổ cỡ 10 – 100 MHz ) Bộ điều chế ngoài dùng để điều chế trường quang

do laze nguồn phát ra với dạng điều chế mong muốn nhứAK (điều biên ),PSK(điều pha ),DPSK(điều pha tương đối ).Các bộ điều chế ngoài thường dùng như giao thoa kế Mac-zender , bộ điều chế hấp thụ EA Riêng điều chế dạng FSKđược tiến hành trực tiếp bởi dòng phun của laze Cùng đi với bộ điều chế là các tín hiệu mang thông tin cần gửi đã được mã hoá (PCM) để giảm sự phản xạ ánh sáng từ sợi quang về lại máy phát thì ần có bộ cách ly quang giữa máy phát uang và sợi quang Bộ cách ly quang chỉ cho pháp ánh sáng truyền theo chiều từ từ nguồn vào sợi quang còn hấp thụ ánh sáng theo chiều ngược lại

c.Máy thu quang

Máy thu quang ở đây phức tạp hơn nhiều so với ở trong hệ thống IM/DD

,gồm :bộ trộn quang , bộ tách quang , laze dao động nội bộ khuếch đại , bộ lọc dải , bộ tự động điều chỉnh tần số laze dao động nội , bộ giải điều chế

Bộ trộn quang là phần tử đặc trưng nhất của máy thu quang kết hợp Nó cho phép hai trường quang tín hiệu từ sợi quang và từ laze dao động nội trộn với nhau và cộng tuyến tính ở đầu ra bộ trộn Bộ trộn quang có thể là một gương bán phản xạ hoặc một bộ ghép sợi nóng chảy Yêu cầu cho hai trường quang vào bộ trộn là phải cùng hướng vì trạng thái phân cực của trường quang tín hiệu

truyền trong sợi quang bị thay đổi nên ta cần phải dùng các phương pháp đặc biệt để giảm sự mất phối hợp phân cực giữa hai trường quang tín hiệu và laze dao động nội

Bộ tách sóng quang dùng photodiode (PIN hoặc ADP) sẽ tách sóng tín hiệu sau bộ trộn về dòng quang điện trung tần và đưa qua bộ khuyếch đại , bộ loc để hạn chế về độ rộng của băng tần nhiễu , sau đó tín hiệu qua bộ giải điều chế để đưa về dạng tương ứng với máy phát , cho ra những tín hiệu được phát đi

Bộ điều chỉnh tần số của laze dao động nội sẽ luôn tự ổn định tần số trung tần của máy thu ở một giá trị mong muốn , tí hiệu đi qua từ AFC sẽ qua mạch thích hợp để điều chỉnh tần số tín hiệu của laze nội trước khi tới bộ trộn cùng tín hiệu truyền đi trong sợi quang

1.2.4 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

a Ưu điểm :

Hệ thống thông tin quang có những đặc điểm nổi bật sau :

- Hệ thống thông tin quang sợi trong thực tế rất kinh tế , độ tin cậy cao

- Khoảng cách trạm lặp có thể lên tới hàng trăm Km ,số lưọng trạm lặp so với dùng cáp kim loại giảm đáng kể , một vài tuyến ngắn có thể liên lạc trực tiếp

- Truyền dẫn ghép kênh với dung lượng lớn ,cho phép thực hiện các yêu cầu đa dạng của mạng đa dịch vụ số băng rộng B-ISDN khiến giá thành dịch vụ thấp

- Cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang (ghép kênh theo bước sóng WDM ) Đặc tính này cộng với khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến là rất lớn

- Sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện trường bên ngoài và các tác động của môi trường nên chất lượng thông tin cao

- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng , thông tin được bảo mật và có thể đi chung đường cáp với các đường truyền kim loại trước đó

- Đảm bảo mỹ quan đô thị

b.Nhược điểm :

Tuy nhiên hệ thống thông tin quang sợi có tồn tại một số nhược điểm sau :

- Hàn nối sợi quang khó khăn , kỹ thuật cao

- Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần thêm đặt thêm dây kim loại ( cu, fe, …)vào trong cáp quang

- Nếu có nước , khí ẩm lọt vào trong cáp thì sơi quang sẽ chóng bị lão hoá , các mối hàn chóng hỏng , lượng suy hao tăng

- Sợi quang có khích thước nhỏ nên hiệu suất ghép nguồn quang với sợi quang thấp

- Không truyền được mã lưỡng cực

Những những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải được bằng các tiến bộ của công nghệ Nhờ những ưu điểm vượt trội trên mà

hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có một tương lai phát triển tốt đẹp vì những lợi ích của nó trong cuộc sống

1.3.Cấu hình hệ thống thông tin quang

Ta có cấu hình hệ thống thông tin quang như hình vẽ sau đây :

K§

S.quang

D÷ liÖu M¸y tÝnh Fax

xö lý tÝn hiÖu

Hình 1.5 Mô hình hệ thống thông tin quang

Từ đây chúng ta đi tìm hiểu về hoạt động của các khối chức năng trong hệ thống

1.3.1.Thiết bị ghép kênh

Thiết bị ghép kênh sử dụng trong hệ thống thông tin quang hiện nay là thiết

bị ghép kênh số tín hiệu điện được biến đổi thành tín hiệu điều chế xung mã PCM và ghép kênh theo nguyên tắc phân thời gian (TDM) Các tiêu chuẩn PCM được sử dụng rộng rãi hiện nay là :

- Tiêu chuẩn châu Âu (CFPT): Lượng tử hoá theo luật A , tốc độ luồng tín hiệu số cơ bản là 2,048 Mb/s , gồm 30 kênh thoại tiêu chuẩn , mỗi kênh có tốc

độ 64 Kb/s

- Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản : Lượng tử hoá theo luật µ , tốc độ luồn tín hiệu cơ bản là 1,544 Mb/s , gồm 24 kênh thoại tiêu chuẩn , mỗi kênh có tốc

độ 64 Kb/s

Thứ bậc ghép kênh của các tiêu chuẩn được trình bày ở bảng 1.1 dưới đây :

Tiêu chuẩn Đặc trưng Cấp bậc

8,4884120

34,3684480

139,2644

1920

564,9924

7680Bắc Mỹ Tốc độ (Mb/s)

Hệ số nhân

Số kênh thoại

1,544-24

6,312496

44,7367672

274,1766

4032

56528064Nhật Bản Tốc độ (Mb/s)

Hệ số nhân

Số kênh thoại

1,544-24

6,312496

32,0645480

97,72831440

397,245760

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu ghép kênh PCM thông dụng

Các hệ thống truyền dẫn số ở Việt Nam xây dựng theo tiêu chuẩn ghép kênh của Châu Âu một kênh thoại cơ bản có phổ giới hạn từ 0,3 – 3,4 KHz , được chuyển thành dạng số có tốc độ 64 Kb/s tương đương với 1 kênh thoại Một kênh truyền hình màu chất lượng tiêu chuẩn được truyền ở tốc độ 140 Mb/s tương đương 1920 kênh thoại

1.3.2.Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối OLTE giao tiếp với thiết bị ghép kênh và sợi quang Sơ đồ

khối của OLTE được mô tả như hình 1.6 dưới đây :

Söa d¹ng §æi m·B/U NgÉu nhiªnho¸ SCR CODERM· ho¸ KÝch thÝch DRIVER quang E/ONguån

Gi¸m s¸t

T¸i t¹o xung nhÞp

REGENE Phôc håi

APC

Hình 1.6 Sơ đồ khối chức năng thiết bị đầu cuối ( OLTE )

Chức năng chính của các khối là :

• Hướng phát : tiếp nhận tín hiệu điện từ thiết bị ghép kênh , biến đổi tín hiệu điện sang dạng mã thích hợp với đường truyền quang , kích thích (điều chế ) nguồn quang phát ra tín hệu quang tương ứng

- Khối sửa dạng : tín hiệu xung từ thiết bị ghép kênh đưa tới được khuyếch đại san bằng và sửa dạng tại đây

- Khối đổi mã (B/U: BIPOLAR / UNIPOLAR ) : mã truyền dẫn của tín hiệu điện thường là mã lưỡng cực (B) có ba trạng thái ( + V , 0 , - V ) không phù hợp với đường truyền dẫn quang do chỉ truyền hai trạng thái ( sáng , tối ) Do đó tín hiệu điện sẽ được đổi sang mã đơn cực ( U ) tại đây Mã lưỡng cực thường dùng là HDB3 , CMI , mã đơn cực thường dùng là mã khối mBnB dạng NRZ hoặc RZ

- Khối ngẫu nhiên hoá ( SCR : Scramber ) : trộn chuỗi xung một cách ngẫu nhiên theo một quy tắc nhất định để tránh sự lặp đi lặp lại một chuỗi dài các bit giống nhau Công việc này giúp cho việc phân bố phổ tín hiệu cần truyền được đồng đều hơn

- Khối mã hoá ( Coder ): tại đây , thêm một lần nữa chuỗi xung được đổi sang dạng mã thích hợp với đường truyền dẫn quang Loại mã này có tác dụng laọi trừ sự xuất hiện các nhóm bit chưa nhiều bit “ 1 “ và bit “ 0 “ liên tiếp , đồng thời còn ghép thêm một số nhóm bit phát hiện lỗi Loại

mã như thế này thường được sử dụng là mã 5B6B

- Khối kích thích ( Driver ) : tổng hợp dòng điện phân cực và chuỗi xung tín hiệu để kích thích nguồn quang phát ra ánh sáng tương ứng

- Nguồn quang ( E/O ) : là nơi phát ra ánh sáng theo tín hiệu từ khối kích thích đưa tới Linh kiện phát quang có thể là LED hoặc LD

- Khối điều khiển công suất ( APC ) : tự động điều chỉnh ánh sáng phát ra

có công suất ổn định

• Hướng thu : tiếp nhận tín hiệu quang rồi biến đổi thành tín hiệu điện , sau khi được khuếch đại , phục hồi thì tín hiệu điện được giải mã sang dạng mã thích hợp với thiết bị ghép kênh

- Thu quang ( O/E ) : biến đổi tín hiệu quang tiếp nhận về thành tín hiệu điện tương ứng nhờ các diode thu quang PIN hoặc ADP

- Khối khuếch đại ( AMP ): khuyếch đại tín hiệu đến từ tuyến thu quang

- Khối AGC : tự động điều chỉnh độ khuyếch đại của khối khuếch đại nhằm giữ cho mức tín hiệu ra luôn ổn định

- Khối phục hồi ( Gegenerator ) : khôi phục lại dạng xung tín hiệu bị méo dạng do suy hao , tán sắc trong sợi quang và tách xung đồng hồ để đồng

bộ cho các khối

- Khối giải mã (Decoder ) : chuyển mã 6B trở lại dạng mã 5B theo quy tắc

mã hoá ở đầu phát Đồng thời khối này làm nhiệm vụ phát hiện lỗi , đếm lỗi để chỉ thị cảnh báo tới khối giám sát

- Khối giải ngẫu nhiên hoá ( Descrambler ) : trộn tín hiệu theo quy tắc ngược lại của quá trình ngẫu nhiên hoá ở phía đầu phát

- Khối đổi mã ( U/B : Unipolar/Bipolar ) : đổi mã đơn cực (U) về mã lưỡng cực (B) để truyền tới thiết bị ghép kênh

1.3.3.Thiết bị ghép/ tách quang

GhÐp kªnh quang

n

λ λ

GhÐp+ λ λn

λ

λn

Hình 1.7 Chức năng của thiết bị ghép tách kênh quang

Trong hệ thống thông tin quang đa kênh thì người ta dùng các thiết bị ghép /tách kênh theo bước sóng (WDM ) Nó đảm bảo các chức năng sau :

- Ghép nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau để đưa vào một sợi quang

- Tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong sợi quang thành từng tín hiệu riêng biệt ứng với mỗi bước sóng đầu vào

- Để thực hiện ciệc ghép / tách kênh quang , người ta sử dụng lăng kính , các bộ lọc thông quang , cách tử nhiễu xạ như được đưa ra ở bảng 1.2 dưới đây

Trong các phương pháp trên thì : phương pháp lăng kính có cấu trúc đơn giản , tách ra các tia sáng ngay cả khi ánh sáng là một dải có bước sóng rộng , nhưng nó có giá thành cao nên ít được sử dụng Phương pháp lọc phim giao thoa có hệ số truyền dẫn từ 0 ÷ 90% phụ thuộc vào bước sóng , nó dùng để tách các tia truyền hoặc tia phản xạ , phương pháp này thì ghép kênh ít , cấu trúc đơng giản , suy hao thấp nên thường được sử dụng Còn phương pháp cách tử nhiễu xạ thì tia sáng khi đập vào sẽ phản xạ ra các góc khác nhau tuỳ theo bước sóng Nó có đặc điểm nhỏ gọn , suy hao nhỏ , tách số kênh lớn nên được sử dụng rộng rãi nhất trong 3 phương pháp

Lăng kính

Sợi quang Thấu kính

Sợi quang

, 1

λ λ2,λ3

λ1 2

λ

λ3

3

λλ2 1

λ

, , 3λ

Phương pháp Phương pháp

Lăng kính

Lọc phim giao thoa

Cách tử nhiễu xạ

Sợi quang Thấu kính loại tròn

Lọc phim giao thoa

Bảng 1.2.Cỏc phương phỏp ghộp tỏch quang thụng dụng

1.3.4.Thiết bị lặp đường dõy

Thiết bị lặp đường dõy giao tiếp với sợi quang ở cả hai phớa , đõy là điểm

khỏc so với thiết bị đầu cuối Thiết bị lặp làm nhiệm vụ chuyển tiếp trung gian khi khoảng cỏch truyền dẫn từ đầu phỏt tới đầu thu vượt quỏ khả năng của sợi quang ( do đặc tớnh suy hao và tỏn sắc của sợi quang ) Trong thiết bị lặp khụng

cú cỏc khối đổi mó , mó hoỏ và cỏc bộ giải mó vỡ dạng mó trờn đường truyền được giữ nguyờn Chức năng cỏc khối trong hỡnh 1.8 tương tự như ở thiết bị đầu cuối

Biến đổi

Điều chỉnh KĐ

sửa dạngKĐ và và

Quyết định khôi phục Kích thích

Biến đổi E/O

Khôi phục xung nhịp Điều chỉnhcông suất

Giám sát Nghiệp vụ

Hỡnh 1.8.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp đường dõy

1.4.Linh kiện thu, phỏt quang , sợi quang và cỏp quang

1.4.1.Linh kiện phỏt quang

a Nguyờn lý làm việc của Laze bỏn dẫn

Sự bức xạ và hấp thụ photon trong bỏn dẫn gắn liền với sự chuyển tiếp của cỏc điện từ một mức năng lượng sang một mức năng lượng khỏc Những đặc điểm của cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong mỏy lượng quang phụ thuộc vào cỏc hệ thống mức năng lượng của hoạt chất trong bỏn dẫn

Cỏc bỏn dẫn cú 3 vựng năng lượng : Vựng hoỏ trị , vựng cấm và vựng dẫn Ứng với từng vựng ấy cú cỏc giới hạn

Wd - Giới hạn vựng dẫn , cao hơn nú thỡ cỏc điện tử cú thể lọt vào

Wh - Trần vựng hoỏ trị

Khoảng cỏch giữa Wd – Wh là vựng cấm

Ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt của bỏn dẫn thỡ ở vựng hoỏ trị cú cỏc điện tử , cũn ở vựng dẫn cú cỏc lỗ trống điện tử

Wh

d

WW

Vïng ho¸ trÞ Vïng cÊm Vïng dÉn

Hình 1.9.Các vùng năng lượng trong bán dẫn

Người ta dùng hàm số Phermi để đặc trưng cho xác suất các điện tử có thể đạt được mức năng lượng W

Sự tái hợp trong chất bán dẫn có hai loại : tái hợp trực tiếp và tái hợp không trực tiếp

Trong các laze hiện nay chỉ có loại tái hợp trực tiếp

Như vậy muốn có sự phát bức xạ thì phải phá vỡ được trạng thái cân bằng đã nêu ở trên tức là phải tạo được mật độ điện tử ở vùng dẫn nhiều lên Để làm được điều đó có nhiều cách khác nhau : phun điện tử vào lớp chuyển tiếp p – n , kích chấn bằng đèn có năng lượng lớn kích chấn bằng quang học , kích chấn trực tiếp bằng điện v.v…Phương pháp phổ biến nhất là phun diện tích

Việc tạo ra laze cùng một lúc có sự suy biến điện tử và lỗ trống điện tử ( hiểu một cách đơn giản là nồng độ của chúng có sự thay đổi ) trong bán dẫn nguyên chất là rất khó Việc này có thể thực hiện được bằng cách cho thêm tạp chất vào

tinh thể bán dẫn Các nguyên tử tạp chất tạo ra tạo ra những múcnăng lượng phụ trong vùng cấm Các nguyên tử dễ nhường điện tử thì tạo ra các mức năng lượng phụ ở cửa vùng dẫn Wd , còn các nguyên tử dễ nhận điện tử thì tạo thành các mức ở phía trên vùng hoá trị Wn Vì vậy có hai loại bán dẫn được tạo thành : bán dẫn cho ( loại n ) và bán dẫn nhận (loại p) Nếu tạp chất nhiều thì chúng có thể tác động tương hỗ lẫn nhau và mức của chúng được kéo lên vùng dẫn và xuống vùng cấm Lúc này các điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống điện tử ở vùng hoá tự nhiên đến mức chất bán dẫn trở thành suy biến

Một phần điện tử ở vùng n chuyển sang vùng p và ngược lại thì lỗ trống điện tử

từ vùng p chuyển sang vùng n , do đó xảy ra quá trình tái hợp và phát lương từ Lượng từ này được khuyếch đại cho đến khi điều kiện M2 – M1 > ∆E bị phá vỡ

và suy biến ở vùng chuyển tiếp bị chấm dứt , tức là sự đảo mật độ ở đó cũng bị chấm dứt Lúc đó có sự phân bố lại theo các mức năng lượng và trạng thái cân bằng được khôi phục , mức Phermi bị lệch Để có thể tạo được sự đảo mật độ như ban đầu ở lớp chuyển tiếp p-n tức là làm cho mức Phermi ở vùng p-n lại tách ra một khoảng như trước , cần phải cho điện một điện áp V vào lớp chuyển tiếp như hình đã trình bày

Bây giờ chúng ta xét tới cấu tạo và một vài tính chất của laze bán dẫn Gaas

Sơ đồ cấu tạo cuả laze bán dẫn Arxennit – galia ở hình 1.7 Lớp chuyển tiếp 4 của bán dẫn p-n được tạo ra bằng cách làm khuyếch tán kèm vào tấm bán Gaas loại n Hai mặt của hai tấm đwocj đánh bóng và đặt một cách cẩn thận sao cho song song với nhau và vuông góc với mặt phẳng chuyển tiếp p-n Các cạnh phía trước và phía sau đã được đánh bóng kỹ sẽ tạo thành các bề mặt phản xạ của hộp cộng hưởng Các mặt trên 2 và mặt dưới của bán dẫn sẽ nối với các điện cực 1,6

1 2 3 4 5 6 7

Hình 1.12 Cấu tạo của laze bán dẫn

Trong các bán dẫn hệ số khuếch đại ánh sáng trên một đơn vị độ dài lớn hơn trong các hoạt chất là chất rắn , chất khí và chất lỏng hàng ngàn lần

Chính vì vậy mà độ dài quang học của quãng đường trong laze bán dẫn có thể vào khoảng vài phần mười milimet , còn hệ số phản xạ của các gương là 0,3- 0,4

Các laze bán dẫn hiện đại có thể làm việc trong chế độ xung và cả trong chế độ liên tục

Mật độ dòng điện phun quyết định thành phần phổ của laze bán dẫn Khi giá trị của dòng điện ấy bé hơn giá trị ngưỡng nào đấy thì độ rộng của giải phổ sẽ vượt quá 0,1 µk Mật độ dòng điện phun còn quyết định sự phân bố bức xạ trong không gian

Độ dài và tần số phóng xung trong laze bán dẫn được quyết định bởi nhiệt độ của lớp chuyển tiếp p-n là chủ yếu

Vì kích thước lớp p-n rất bé nên sự khuếch tán rất lớn , chính vì vậy mà độ tán

xạ của tia bức xạ ở laze bán dẫn lớn hơn nhiều so với laze khí

Laze bán dẫn có kích thước bé , hiệu suất cao ( gần 100%) Điều đó cho phép

sử dụng rộng rãi laze bán dẫn vào các kết cấu đòi hỏi gọn nhỏ và chắc chắn

b Trường bức xạ của ánh sáng ra và hiệu suất ghép

Bức xạ của trường quang được đặc trưng bởi sự phân bố trường xa , trường gần và mật độ bức xạ Nhưng người ta thường quan tâm đến công suất ánh sáng

có thể ghép vào sợi quang được xác định theo công suất bức xạ tổng cộng và hiệu suât ghép Công suất quang đối với LED từ 1÷3 mW , với LD từ 1÷10 mW , các laọi LD đời mới hiện nay có công suất phát tới 50 mW

- Giản đồ bức xạ : được xác định bởi góc lập giữa hai đường thẳng mà công suất ánh sáng bằng một nửa so với mức cực đại Giản đồ bức xạ của LED

là rất lớn hơn so với của LD , với LED phát xạ mặt khoảng 1200 , phát xạ rìa khoảng 300 , còn với LD khoảng 50÷100

- Hiệu suất ghép : đặc trưng định lượng cho việc ghép ánh sáng từ nguồn vào sợi , được xác định bởi tỷ số công suất ghép vào sợi quang trên công suất bức xạ toàn phần của nguồn

§iÒu chØnh

nguån vµ

quang

Líp vá Vïng ph¸t quang

Gãc ph¸t quang Gãc nhËn quangHình 1.13 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang , giản đồ bức xạ , góc nhận quang , vị trí đặt nguồn quang như mô tả ở hình 1.13 Hiệu suất ghép của LD phát xạ mặt từ 1÷5% , của LED phát xạ rìa từ 5÷10% , của

LD từ 10÷30% với sợi đơn mode , và từ 60÷90% với sợi đa mode

1.4.2.Linh kiện thu quang

a.Cấu trúc , nguyên lý hoạt động của linh kiện thu quang

Khi ánh sáng mang thông tin tới đầu thu cần có các thiết bị biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện gọi là linh kiện thu quang Có nhiều phương pháp biến đổi quang - điện như biến đổi trực tiếp lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện theo hiệu ứng quang nội và hiệu ứng quang ngoại Hiện nay người

ta sử dụng hiệu ứng quang nội cho linh kiện thu quang bán dẫn

Nguyên lý làm việc cơ bản như sau : Giả sử ta có một lớp chuyển tiếp p-n được phân cực ngược bởi điện áp U0 ( “-“ đặt vào vùng p ) , khi này độ rộng vùng nghèo tăng ( vùng ít điện tử và lỗ trống ) , điện trường nội của vùng nghèo ngăn sự khuyếch tán của điện tử và lỗ trống đang chiếm đa số ở vùng

n và p đi qua vùng nghèo Trong chuyển tiếp chỉ tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ do sự dịch chuyển của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp p-n , dòng điện này là dòng tối Id

Khi ánh sáng có năng lượng photon : W= h.γ > Eg chiếu vào chuyển tiếp ( từ vùng p ) thì vùng p , vùng nghèo , vùng n các điện tử được hấp thụ ánh sáng , điện tử từ vùng hoá trị sẽ dịch lên vùng dẫn , kết quả là tạo nên các cặp điện tử - lỗ trống Theo chiều điện trường thì các điện tử , lỗ trống chuyển

động qua vùng nghèo ,p,n, và tạo ra một dòng chay ngược gọi là dòng quang điện Dòng quang điện Iph trung bình tỷ lệ với công suất ánh sáng tới Pt theo biểu thức :

- η là hiệu suất lượng tử

Do diode quang p-n có hiệu suất cao , tốc độ không cao nên thực tế thông tin quang sợi người ta dùng hai loại cải tiến là : photodiode PIN và diode quang thác ADP Diode PIN có điện áp ngược công tác thấp hơn diode ADP , còn diode ADP có khả năng khuếch đại dòng quang điện nhờ hiện tượng ion hoá do va chạm nên độ nhạy của nó tốt hơn của diode PIN

b Photodiode PIN

E

X O

Hình 1.14 Diode PIN và phân bố điện trường trong PIN

Về cấu trúc , diode PIN được cấu tạo từ chất bán dẫn gồm ba vùng , ở giữa vùng p và n có một vùng bán dẫn tinh khiết gọi là vùng I (Intrinsic ) Cấu trúc của PIN dải 1,3÷ 1,5 µm với các lớp bán dẫn , thiên áp ngược đặt vào PIN , Rtải và phân bố điện trường bên trong diode mô tả như hình 1.14 Ưu điểm của diode PIn so với diode quang p-n là vùng I có điện trở cao nên điện trường trong nó không lớn hơn , như vậy độ rộng vùng I

chiếm gần hết vùng nghèo và nó có thể thay đổi được trong quá trình chế tạo

Trong PIN , thành phần dòng quang điện do chuyển động kéo theo chiếm ưu thế so với thành phần dòng khuếch tán vì sự hấp thụ ánh sáng chủ yếu trong vùng I , và độ rộng vùng I có thể chọn lớn để đạt hiệu suất lượng tử và độ nhạy cao , tuy nhiên do phải tính tới đáp ứng thời gian nên

độ rộng vùng I được chọn một cách tối ưu

Diode chế tạo từ bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp như InGaas làm vùng I , còn vùng p và vùng n dùng InP dạng chuyển tiếp nhị thể kép cho

ta độ nhạy cao , đáp ứng tần số nhanh và băng tần lớn Nếu chế tạo vùng

I bằng bán dẫn có vùng cấm loại gián tiếp thì đáp ứng thời gian lớn sẽ hạn chế tốc độ bit Độ nhạy của PIN là :

Rpin =

c h

q P

= (1.3)

Trong đó :

- Iph : dòng quang điện (A)

- Pq : công suất quang chiếu lên diode (W)

- η : hiệu suất lượng tử hoá

- λ : bước sóng ánh sáng (m)

- q: điện tích hạt dẫn (điện tử hoặc lỗ trống có giá trị tương ứng ±e )

- h: hằng số Planck

- c: vận tốc ánh sáng (m/s)

c.Diode quang thác ADP

E

X O

- + Rt¶i

P N+

Hình 1.15 Diode quang thác ADP và phân bố điện trường trong ADP

Để nâng cao độ nhạy cho diode quang dùng trong thông tin quang sợi khi công suất sóng tới bị giới hạn , người ta sử dụng một loại diode quang khác là diode quang thác ADP Trong ADP thì dòng quang điện được tăng cường rất lớn nhờ hiệu ứng nhân thác xảy ra do sự ion hoá va chạm của ánh sáng với mạng tinh thể trong vùng nhân thác để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp

Cấu trúc của ADP gồm 4 vùng là P+ , I ,P , N+ trong đó vùng P có trở kháng cao (để dưới tác dụng của thiên áp ngược thì vùng này có điện trường lớn ) vùng I là vùng hấp thụ ánh sáng để tạo ra cặp điện tử - lỗ trống sơ cấp Vùng P là vùng nhân thác ( hay khuếch đại ) vì tại đây chuyển động kéo theo của điện tử - lỗ trống sơ cấp dưới tác dụng của điện trường là rất lớn , đủ năng lượng ion hoá mạng tinh thể do va chạm và giải phóng cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp Quá trình này diễn ra liên tiếp dẫn đến sự nhân thác điện tử - lỗ trống trong vùng P Kết quả là dòng quang điện trong ADP được khuếch đại rất lớn Cấu trúc các lớp bán dẫn , thiên áp ngược , tải và phân bố điện trường của ADP là ở hình 1,14

Để tạo ra điện trường lớn trong vùng nhân thác thì thiên áp ngược đặt lên ADP phải khá lớn ( hàng chục đến hàng trăm vôn ) , trong khi với PIN thì giá trị này

lại nhỏ ( vài vôn ) Để không xảy ra hiện tượng đánh thủng diode đối với ADP thì thiên áp ngược thường chọn khoảng 90% điện áp đánh thủng

Độ nhạy của ADP được tính theo công thức :

RADP = M

c h

q

λ

Trong đó :

- M : thừa số nhân thác của diode

- R1 : độ nhạy ứng với độ nhân thác đơn vị ( M = 1 , là độ nhạy ứng với PIN )

Ta cần chú ý rằng quá trình nhân thác mang tính thống kê nên giá trị độ nhạy

RADP phải hiểu là một giá trị trung bình Trong hai diode ADP và PIN thì : ADP

có độ nhạy cao hơn , PIN có tạp âm thấp hơn , điện áp ngược nhỏ hơn và giá thành rẻ hơn Vì vậy trong hệ thống thông tin quang sợi hiện nay thì cả PIN và ADP đều được sử dụng tuỳ theo trường hợp cụ thể trong tuyến

d Các tham số cơ bản của diode quang

+ Hiệu suất lượng tử :

e

.

λ

- Tạp âm thăng giáng dòng quang xuất hiện trong quá trình lượng tử hoá Bản chất của nó là do đặc tính hạt của các phần tử mang điện , giá trị trung bình bình phương dòng tạp âm lượng tử i2 được tính như sau :

ID : là dòng tối của diode thu quang

- Dòng tạp âm nhiệt ( Johnson ) iN2 do điện trở tải diode gây nên nó được tính theo công thức sau :

T

∆

và id gây ra Hiệu ứng thác gây ra hiệu ứng tạp âm phụ FK , nó phụ thuộc vào quá trình ion hoá và chất bán dẫn

1.4.3.Sợi quang và cáp quang

1.4.3.1 Sợi quang

a Khái niệm

Sợi quang là sợi mảnh hình trụ để dẫn ánh sáng , nó bao gầm hai lớp chất điện môi trong suốt khác nhau , phần bên trong dùng để truyền ánh sáng gọi là lõi sợi , phần bao bọc quanh lõi gọi là vỏ Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng chỉ truyền dẫn trong lõi sợi bằng cách áp dụng hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng giữa vùng lõi và vùng vỏ

b Sự suy hao ánh sáng trong sợi quang

* Suy hao do hấp thụ :

Hai nguyên nhân chính gây ra quá trình hấp thụ :

- Do bản thân vật liệu cấu tạo sợi quang

- Do các nguyên tử tạp chất trong sợi quang

Ta coi sợi quang như một tấm lưới hấp thụ ánh sáng , ánh sáng lan truyền trong sơi quang dễ bị hấp thụ bởi vật liệu , sau đó biến đổi thành nhiệt và gây ra suy hao , suy hao này gọi là suy hao hấp thụ Trong hấp thụ này thì sự hấp thụ các ion OH- còn sót lại là đáng lưu ý nhất , chúng có ở một số đỉnh hấp thụ ở các bước sóng 0.94µm , 1,22µm , 1,38µm Còn các vùng hấp thụ bên cạnh các đỉnh gọi là các cửa sổ quang , trong khoảng 0,85µm , 1,3µm , 1,55µm chúng được sử dụng cho thông tin quang vì đặc tính suy hao thấp của nó

Trong hấp thụ do bản thân vật liệu có suy hao do hấp thụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại Suy hao hấp thụ cực tím có đỉnh ở bước sóng 0,1µm , với hồng ngoại là ở 10µm Các loại suy hao này giảm rất nhanh ở các bước sóng không phải là đỉnh nên suy hao của chúng đạt bé nhất trong khoảng bước sóng 1,0÷1,6

µm

• Suy hao do tán xạ :

- Tán xạ Rayleigh : là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi nó gặp một vật kích thước không quá lớn so với bước sóng ánh sáng Trong quá trình sản xuất sợi quang từ lõi thuỷ tinh đường kính vài

mm tới vài chục mm , người ta nung nóng ở nhiệt độ 20000C và kéo chay

thành dạng sợi Tại thời điểm thuỷ tinh sợi quang được làm lạnh đột ngột xuống nhiệt độ phòng 200C Sự làm lạnh đột ngột sẽ tạo ra sự không đồng đều ở hệ số khúc xạ tạo nên do vật liệu , còn có quán tính ở nhiệt độ cao trong sợi quang Sự không đồng đều này của chiết xuất khúc xạ là nguyên nhân gây nên tán xạ Rayleigh trong sợi quang Độ tán xạ tỷ lệ nghịch với mũ bốn bước sóng , bởi vậy khi ánh sáng lan truyền với bước sóng dài hơn thì có suy hao nhỏ hơn và ngược lại

- Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất : các sợi quang trong thực tế thì không thể có tiết diện mặt cắt ngang là tròn lý tưởng và cấu trúc hình học đều dọc suốt lõi và vỏ Như vậy tại bề mặt biên giữa lõi

và vỏ vẫn tồn tại một số chỗ gồ ghề , tại những chỗ này gây nên suy hao quang , làm tăng sự suy hao quang bới các phản xạ bất bình thường đối với ánh sáng lan truyền

• Suy hao do hàn nối , ghép nối

- Suy hao do hàn nối : việc hàn nối sợi quang trong lắp đặt tuyến cáp quang

là rất quan trọng vì quá trình này cần phải được thống nhất về trục sợi quang và không được để có khe hở Nếu không đồng nhất về trục thì một phần ánh sáng sẽ phát xaxaj ra bê ngoài , còn nếu có khe hở thì tạo ra suy hao phản xạ ( phản xạ Fresnel) Nếu không làm tốt việc hàn nối thì suy hao hàn nối là rất lớn

C¸c khuyÕt tËt khi ghÐp nèi sîi quang

DÞch chuyÓn ngang(a);DÞch chuyÓn gãc(b);DÞch chuyÓn däc trôc (c)

- Suy hao ghép nối quang sợi quang và linh kiện thu – phát quang : điều kiện để ghép ánh sáng từ nguồn phát quang vào sợi quang được xác định bằng khẩu độ số NA Khi so sánh các đặc điểm của LED và LD thì khi

ghép vào sợi quang LD có đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung ánh sáng Còn với các loại sợi quang khác nhau , nếu có NA lớn thì sợi MM có suy hao lớn hơn sợi SM vì chùm sáng của MM bị trải rộng

c Các loại sợi quang

- Sợi SI-MM : truyền dẫn nhiều mode , tán sắc mode và tán sắc vật liệu lớn ,

độ rộng băng thông nhỏ , có tích số B.L nhỏ ( khoảng 10 ÷ 20 Mb/s-Km )

Vì vậy nó sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ nhỏ , cự ly ngắn

- Sợi GI-MM : có tán sắc mode nhỏ , tán sắc vật liệu bằng 0 tại λ = 1,3µm ,

độ rộng băng truyền lớn hơn sợi SI-MM , có tích số B.L lớn ( khoảng 2000 Mb/s-Km ) Dùng trong hệ thống truyền dẫn tốc độ trung bình , cự ly trung bình cho cả hai bước sóng 0,85μm và 1,3µm

- Sợi SI-MM : không tán sắc mode , chủ yếu là tán sắc vật liệu và cấu trúc

Ở bước sóng lớn hơn 1μm thì sợi làm việc ở chế đọ đơn mode Sợi có tán sắc và suy hao rất nhỏ , băng truyền lớn , tích B.L đạt hàng trăm ( Gb/s-Km) Tại λ =1,55μm sợi có suy hao rất nhỏ , thường được chế tạo có tán sắc dịch chuyển để sợi có tán sắc bằng 0 ở λ = 1,55µm Được sử dụng cho truyền dẫn đường dài , tốc độ lớn Nếu sử dụng laze đơn mode thì tán sắc rất nhỏ , phát huy được tối đa ưu điểm của sợi đơn mode

d Các phương pháp ghép nối sợi quang

+ Phương pháp lồng ống ( thường được dùng ở mối ghép cố định ) : dùng ống thuỷ tinh được gia công chính xác về kích thước trong ứng với sợi quang cần ghép nối ( hình 1.15 ) Ống lông 1 đầu có dạng hình côn để dễ đưa sợi quang 4 vào , trên thân ống có lỗ 2 để đổ dung dịch liên kết 3

1 2 3

4

Hình 1.15.Ghép nối sợi quang bằng phương pháp ống lồng

+ Phương pháp ổ cắm ( được dùng cho các sợi quang bằng chất dẻo , hình 1.16 )

Các sợi quang 2 được lồng vào các ống kim loại 3 , các ống kim loại này lại được lắp vào cặp ổ cắm 4 của cụm ghép Khi đưa hai nửa của ổ cắm vào nhau , các sợi quang 2 từ hai phía được đưa tới tiếp xúc với nhau

Sợi quang 1 được lồng vào ống chất dẻo 2 , ống chất doe này có gân bên trong

và có khe chứa dung dịch liên kết , đườn kính trong của ống vừa bằng kích thước sợi quang Hai sơi jquang khi ghép vào với nhau phải có một khe hở 3 để chứa dung dịch liên kết Toàn bộ ống chất dẻo 2 được bảo vệ bằng khớp cơ khí 4,5

Hình 1.17.Khớp cơ khí

+ Ghép nối bằng nẹp cơ khí

Dùng một số nẹp cơ khí bọc quanh mối ghép 2 sợi quang ( thanh nẹp để dọc theo sợi quang ) , sau đó đổ dung dịch phối hợp chiết suất , rồi mối ghép được bọc trong ống nhựa co nhiệt , đây là loạ ống nhựa chuyên dụng , nó sẽ co lại khi

bị nung nóng nhằm ôm chặt mối ghép

+ Nối sợi quang bằng phương pháp hàn

Dùng lửa hồ quang hoặc laze để hàn hai sợi quang với nhau , nó bao gồm các khâu sau :

- Hiệu chỉnh để hai đầu dây đồng trục n»m c¸ch nhau khoảng vài mm (a)

- Dùng lửa hồ quang làm mềm hai đầu sợi quang (b)

- Đưa hai đầu sợi quang vào tiếp xúc trực tiếp với nhau , trong khi vẫn nung hai đầu dây đó bằng hồ quang (c)

- Hoàn thiện quá trình hàn (d)

2 b)

2 d)

Hình 1.18.Hàn sợi quang

+ Ghép nối bằng khớp cơ khí cơ động

Trong kỹ thuật nhiều lúc cần sự ghép hai sợi quang chắc chắn tin cậy trong một thời gian nào đó , vì vậy người ta đã chế tạo loại khớp ghép nối cơ khí có thể tháo lắp Tại đầu sợi quang 1 phải bóc bỏ một đoạn vỏ bảo vệ ( khoảng

40 mm) sau đó lồng chúng vào các đai cơ khí 6 và giữ ở đấy nhờ các ống chạn 2 và 9 (chúng có lỗ để bơm keo gắn chặt 2 và 3 ) Như vậy chỉ cần có

ốc liên kết 7 , có thể liên kết hai sợi quang với nhau

- Bảo vệ sợi quang trước tác động về cơ , lý ,hoá học của điều kiện bên ngoài

- Các dặc tính truyền dẫn của sợi quang phải ổn định

- Khả năng lắp đặt , vận hành , bảo dưỡng , sửa chữa sợi quang dễ dàng

- Có ký hiệu để dễ phân biệt khi sử dụng