đồ án tốt nghiệp hệ thống thông tin quang

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

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN

• Đồ án của em chia làm 2 phần

- Phần I: Tổng quan về hệ thông tin quang

- Phần II: Công ghệ truyền dẫn SDH

• Trong phần I gồm có 2 chương:

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

Ở chương này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin

quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và ưu nhược điểm của nó

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

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

+ Các thông số của sợi quang bao gồm:

Suy hao trong sợi quang

Các nguyên nhân gây suy hao

Tán sắc

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

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

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

+ Hệ thống thông tin quang gồm có cấu trúc hệ thống thông tin quang

và mã hoá hệ thống thông tin quang

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

• Phần II: gồm có 3 chương

- Chương 1: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn

Trong chương này em nghiên cứu

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

1

+ Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam: ghép kênh nhóm

sơ cấp và hệ thống PCM cấp 1

- Chương 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH

Trong chương này em nghiên cứu

+ Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH

+ Sự cần thiết của SDH

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

- Chương 3: Nghiên cứu mạng SDH

Trong chương 3 em nghiên cứu

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

Hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao

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

+ Kết nối chéo DDC

+ Mạng

+ Mạng vòng ring SDH

Trong mạng này gồn có 6 mạng vòng là:

Vong ring một hướng tợ bảo vệ cho một vùng dẫn

Mạng vòng ring hai hướng

Bảo vệ theo đường truyền

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

Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng theo đoạn

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

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

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

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

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

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

Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự

ly 200km

Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần

Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi

trường không khí Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng

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

Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công.Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện

Năm1966 Charles H KaoVà George A Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( δ ≅ 1000dB/km)

3

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

Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng

0.2dB/km ở bước sóng 1550nm

1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang.

Trặm lặp trên đường truyền

Tín hiệu ra

Biến đổi Biến đổi

Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn

- Theo sơ đồ hệ thống ta có:

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

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

+ Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện

“0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”

Nguồn

tín hiệu

Phần tử điện

E O

EO

EO

EO

Phần tử điện

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

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

Tín hiệu Tín hiệu

Cáp quang Cáp quang

Sơ đồ khối trặm lặp

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

• Những ứng dụng của sợi quang

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

- Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay

+ Mạng đường trục xuyên quốc gia

5

O E

O E

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

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

- Tính cách điện cao, không gây chập cháy

- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong

- Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại có cùng dung lượng và cự ly

• Nhược điểm

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

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

- Thiết bị tốn kém

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

Chương II Các thành phần của hệ thống thông tin quang

2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn.

Tia phản xạ1’

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

• Góc phản xạ bằng góc tới

α=α’

*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell

n1Sinα =n2 Sinβ

Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1

n2 : chiết suất môi trường 2

Khi n1>n2 thì α > β nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn αkhi β = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì α được gọi là góc tới hạn αT Nếu tiếp tục tăng cao cho α>αT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

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

SinαT = n n12 hay αT=artsinn n12

2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn

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

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

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

nk

n2

Tia phản xạ

n1

Tại điểm A ta có:

nksinθmax = n1sin90

Mà nk là chiết suất không khí(n1=1)

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

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

Do đó:

NA = sinθmax= n2

1-n2

2 =n1 ∆

Với ∆ là sự khác nhau về chiết suất

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

1-n2

2

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

2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang.

• Sợi quang có cấu trúc chung bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn Triết suất của lớp vỏ không đổi còn triết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra) Sự biến thiên triết suất theo bán kính được biết dưới dạng tổng quát như sau:

n2[1-∆(r/a)g ] với r ≤a (trong lõi)

∆ =

1

2 1

n

n

: độ chênh lệch triết suất

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính triết suất.a: bán kính lõi sợi

b: bán kính lớp vỏg: số mũ quyết định dạng biến thiên, g≥1Các giá trị thông dụng của g:

- Sợi quang có triết suất nhẩy bậc.

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

Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc:

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

n2b

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

n2 n1

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất vì triết suất ở trục là ngắn nhất Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

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

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiều tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch triết suất∆ nhưng có triết suất lõi n1 không cao

b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b):

Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất như hình b

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

2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode.

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

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

Sợi đa mode có thể có triết suấtnhẩy bậc hoặc triết suất giảm dần:

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

*Sợi đơn mode (SM: single Mode)

Các thốngố của sợi SM thông dụng là:

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

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

- Độ chênh lệch triết suất tương đối:

∆= n1n− 1n2 = 0,003=0,3%

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

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

16d

D

n1

n2 ∆ = 0,3%

2.2 Các thông số của sợi quang.

2.2.1 Suy hao trong sợi quang.

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

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

P(L) = P(1).10 −

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

P(1): công suất đầu sợi (L=0)

A = logP P21 (dB) với P2<P1.

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

P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang

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

α = L A (dB/Km)

Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB]

L: Chiều dài sợi quang [Km]

2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao.

a/ Suy hao do hấp thụ (Hình a,b,c)

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

- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo

đã hấp thụ ánh sáng Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang

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

b/ Suy hao do tán sắc (Hình 1)

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

hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác

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

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

- ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng

từ 1 đến 2 dB ở λ = 1300nm suy hao là 0,3dB/km Còn ở λ =

1550nm suy hao nhỏ nhất Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang

- Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện

tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần

c/ Suy hao do uốn cong (Hình 2)

Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang

600

500

400

300

200

19

500 600 800 1000 1200 1400 1600

0

c/ Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

α(dB/km )

nm

100

600 800 1000 1200 1400 1600

32

10

α(dB/km)

nm

600 800 1000 1200 1400 1600

32

10

α(dB/km)

2

a Định nghĩa tán sắc.

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký hiệu D, đơn vị giây (s) được tính bằng:

2 i

2

0 T T

Trong đó: Ti là độ rộng xung vào

To là độ rộng xung ra

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

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

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

b Các nguyên nhân gây tán sắc

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

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

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

+ Tia 1: Tia dài nhất

1 D cos

1

+ Tia 2: tia ngắn nhất d2 = L

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

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

/ C

L V

2

2 1 2

n n n C

L C

Ln Cn

Ln t

n

n

=

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

C

L

t

2 1

n L

t D

2 1 e

+ Tán sắc vật liệu: là hiện tượng do ánh sáng truyền trong sợi quang không phải là đơn sắc mà là đa sắc Mỗi bước sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác cho nên vận tốc truyền khác

Tán sắc do vật liệu được xác định bởi:

23

2 mod

) (

λ

λ λ

d

n d C m

)

(

n λ : triết suất lõi sợi

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

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

Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành phần giữa lớp lõi và lớp vỏ bọc Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa

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

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Cấu trúc sợi quang.

2.3.1 Lớp phủ

Có tác dụng bảo vệ sợi quang

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước

- Tránh xước gây nên vết nứt

- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi Lớp phủ này được

nhuộm màu và thêm các vòng đánh dấu

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

trong từng điều kiện khác nhau.

a Dạng ống đệm lỏng

- Ống đệm lỏng thường gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng cực cơ học Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi

cáp đặt trong nhà

Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp

c Dạng băng dẹt

Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi

quang thay vì một sợi Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng

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

Cấu trúc băng dẹt.

27

2.4 Các linh kiện biến đổi quan

2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang.

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

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

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

lượng, cự ly của tuyến truyền dẫn quang

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

a Đối với nguồn quang

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

* Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát:

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

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

- Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ

b Đối với linh kiện tách sóng quang

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

- Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tách được các tín hiệu quang

thật nhỏ với số lỗ bịt cho phép độ nhạy càng cao thì có thể mở rộng cự ly thông

tin

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

- Dòng tốt nhỏ: khi chưa có tách sóng chiều vào nhưng linh kiện tách sóng

quag vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng

Các linh kiện biến đổi quang điện -> điện quang dùng trong thông tin

quang hiện nay là các linh kiện bán dẫn Bán dẫn có 2 mức

+ Ev: Mức năng lượng hóa trị

+ Eg: Khe năng lượng

+ X: Khoảng cách vật chất

+ Khi một photon bức xạ vào chất bán dẫn cung cấp năng lượng (E=h.v) cho một điện tử đang ở vùng hóa trị thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn photon biến mất điện từ sẽ để lại một cổ trống trong vùng hoá trị Như vậy một photon (có năng lượng thích hợp) chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một

cổ trống còn photon thì biến mất Đó là hiện tưởng hấp thụ, được ứng dụng trong photon diode làm linh kiện thu quang

+ Nếu vùng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơi

29

Eg

EEcEv

Các vùng năng lượng của chất bán dẫn

xuống vùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với cổ trống

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

+ Hiện tượng phát xạ kích thích Là hiện tượng đặc biệt do ánh sáng được phát ra trong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang

ở vùng dẫn có mức cao năng lượng xuống vùng hóa trị có mức năng lượng thấp tại hợp với các lỗ trống phát ra lượng ánh sáng mới Quá trình tái hợp đủ lỗ trống xảy ra liên tục làm cho năng lượng ánh sáng phát ra rất lớn

2.4.3 Nguồn quang

a Nguyên lý chung

Có 2 loại được dùng làm nguồn quang

- Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode)

- Diode laser hay LD

Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N Các đặc tính kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêng bươcsóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau Mà Eg quyết định tần số và do đó quyết định bước sóng của năng lượng ánh sáng phát ra theo công thức

Eg =Hv = hcλ

Hay

) (

24 1

ev g

E Eg

c h

=

= λ

Trong đó:

H: hằng số planck = 6,625.10-34T.s

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

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

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

b Diot LD

Tiếp xúc bề mặt: Loại này dùng bán dẫn Ga As với nồng độ khác nhau để làm lớp nên N và lớp phát sáng loại P Với P có độ dày cỡ 250µm Mặt ngoài lớp phủ chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang LED tiếp xúc mặt có bước sóng công tác từ 880-950µm

31

Lớp P-Ga As(khuếch tán)

Lớp tiếp xúc

Lớp tiếp xúc P Lớp cách điện (Al2C3

Lớp P-Ga As(khuếch tán)

Lớp N- Ga As (nền)

CÊu tróc LED tiÕp xóc bÒ mÆt

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

Bớc sóng của LED Burrus dùng bán dẫn ALGAAS/GAAS khoảng 800-8500

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

- LED phỏt bước dài

Một loại LED phỏt bước súng dài (1300mm và 1550mm) dựng bỏn dẫn In

Ga ASP/InP Dựng lớp nền InP dạng thấu Kớnh để ghộp vào sợi quang

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

Lớp cỏch điện Al2O3

Lớp P -- lgna AsP

Lớp chống phản xạ

Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt

Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng không thể phát ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớp tích cực rất mỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 lớp PN có triết suất nhỏ hơn Cấu trúc như vậy giống như cấu trúc sợi quang Nên khi một trong 2 đầu ống dẫn sóng được nối với sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất phép ánh sáng, vào sợi quang cao Tuy nhiên nó cũng có hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của ELED tăng khá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt

c Diot LESER (LD)

+ Cấu tạo

Một LD thông thường được cấu tạo bằng 3 lớp hoạt động của lasser xảy ra

ở vùng được ghép bởi 2 lớp bán dẫn loại N và P được gọi là vùng hoạt chất Vùng này đóng vai trò như một chất cộng hưởng Khi đó dòng điện bơm từ phía (+) đến (-) thì ánh sáng lesser được phát ra theo hướng mũi tên

Ánh sáng cấu tạo Diode laser+ Nguyên lý:

Bán dẫn loại NLớp tích cực Bán dẫn loại N

Lớp tiếp xúc PCách điện

Trong hệ thống thông tin quang, các nguồn phát sáng laser là các laser bán dẫn thường là laser Diode (LD) Các loại này có thể khác nhau những nguyên lý

cơ bản là như sau: Hấp thụ photon phát xạ tự phát, phát xạ kích thích

Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản

Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích

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

Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơn hẳn LED nhưng do cấu tạo cũng như hoạt động phức tạp hơn Quá trình phát xạ

tự phát của LD giống LED Tuy nhiên mặt sau của LD được phủ một lớp phản

xạ rất cao 99% còn mặt trước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánh sáng phát ra lan truyền như đang được khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản

xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản xạ lại hướng đột diện, ánh sáng lại được phản xạ tương tự mặt gương đối diện Bằng cách này trong khi lặp lại quá trình phản hồi (1 phần ánh sáng được khuyếch đại sẽ được kết hợp với ánh sáng đầu vào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa) Khi dòng vào đủ lớn năng lượng được khuếch đại bằng phát xạ cương bước trở nên lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ

ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ Tại thời điểm đó bắt đầu dao động

và tạo ánh sáng laser Dòng tại đó gọi là dòng ngưỡng Dòng ngưỡng phải nhỏ

để tránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt động liên tục ở công suất cao

Xét về hốc cộng hưởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gương phẳng song song phản xạ ánh sáng Hốc cộng hưởng có nhiệm vụ tạo ra một dao động có tần số nhất định Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên

độ phức, nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúng với biên độ và pha sóng xuất phát nó

quang được sử dụng hiện nay:

- PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là

2 lớp bán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp

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

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

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

2 Những thông số cơ bản

a Hiệu suất lượng tủ

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

Photo

Vùng trời

EvEc

% 100 n

Trong đó: ηlà hiệu xuất lương tử

ne: là số lượng điện tử được tạo ra

Iph dòng quang điện có đơn vị là A

Ioph: Công suất quang có đơn vị là W

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

24 , 1

) m ( hc

e

d Dải động

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

37

T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k

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

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

ID2 =2e.iD.B

ID là dòng tời của diode phát quang

3 Diot thu PIN

Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N trong đó lớp I là lớp không pha tạp chất Quá trình hấp thụ phonton để tách ra các điện tử và cổ trống xảy ra trong lớp I Do đó lớp I càng dày thì hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử sẽ càng chậm Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN

Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng và bán dẫn ánh sáng có λ dài thì khả năng thâm nhập càng lớn

Cấu tạo của Mode thu quang PIN.

I

N

Tiếp xúc kim loạiÁnh sáng

IS: Dòng bão hòa của diode.

4 Diot thu APD.

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

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

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

số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp

Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là:

Iph = R M Popt

Trong đó: M: hệ số nhân

R: Đáp ứng (A/w)

Popt: Công suất quang (w)

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

Ngoài ra, nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số M cũng càng lớn Nhưng lúc

đó thời gian trôi của điện tử càng chậm nên tốc độ hoạt động của APD giảm Giá trị của hệ số nhân M từ 10 ÷ 1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực cho APD sao cho M = 50 ÷ 200 lần vì M càng lớn thì dòng nhiễu của APD