hệ thống thông tin cáp sợi quang

Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, nổi bật là băngtần truyền dẫn rộng ở Việt Nam, mạng viễn thông đã và đang thực hiện chủ trương đi thẳng vào kỹ thuật mới tiên tiến nhất, nê

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay việc phát triển mạng lưới thông tin đã trở thành một vấn đề cực kỳquan trọng và cấp bách đối với Việt Nam nói riêng và toàn thế giới nói chung nhằmphục vụ cho đòi hỏi của cuộc sống con người, trong quá trình đú đó nẩy ra ý nghĩ

và dần dẫn tới nghiên cứu và có sự thành công của kỹ thuật thông tin đã mở ra mộtbước ngoặt đáng kể

Sự phát triển của hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông đã tạo ra hiệuquả kinh tế trong việc sử dụng môi trường truyền dẫn cho các hệ thống hoạt độngvới tốc độ tối ưu Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, nổi bật là băngtần truyền dẫn rộng ở Việt Nam, mạng viễn thông đã và đang thực hiện chủ trương

đi thẳng vào kỹ thuật mới tiên tiến nhất, nên mặc dù đang ở giai đoạn đầu của chiếnlược phát triển mạng, đề án sử dụng thông tin cáp quang là chủ yếu và nó chiếm vịtrí quan trọng ở các phương diện như cáp biến quốc tế, hệ thống đường trục quốcgia và nội hạt, nhất là ngành bưu chính - viễn thông Chính phủ càng quan tâm vìđây là ngành có vai trò quan trọng trong cơ cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốcdân, với việc lắp đặt các hệ thống vi ba số, vệ tinh nhất là sắp phóng vệ tinh nhântạo (2003) … là hàng loạt tuyến truyền dẫn cáp quang đã và đang trang bị đưa vàokhai thác ở tất cả các trung tâm từ khu vực trung du miền núi đến các huyện, tỉnh,thành và các cửa ngõ quốc tế Chính vì thế mà phải có công tác đào tạo, bồi dưỡngđội ngò kỹ thuật về lĩnh vực này là quan trọng và cấp thiết

Được sự giúp đỡ tận tình và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Đức Thuậncựng cỏc bài giảng của các thầy giáo, cô giáo trong cả trong cả quá trình học tập đógiỳp em hoàn thành bản báo cáo này cũng như sự hiểu biết rất nhiều về lĩnh vựcthông tin quang

Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt thành của thầy Nguyễn Đức Thuậncựng cỏc thầy cô trong khoa điện tử - viễn thông cựng cỏc bạn

Do sự hiểu biết, thời gian có hạn và lần đầu tiên làm báo cáo thực tập chắc chắnkhông tránh khỏi những sai sót và vướng mắc, em rất mong được sự chỉ bảo củacác thầy, cỏc cụ cựng các bạn

Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin quang

1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin cáp sợi quang

Từ những suy nghĩ về thông tin quang đến những quá trình nghiên cứu, đến nay

có rất nhiều các loại hình hệ thống thông tin Động cơ thúc đẩy sự ra đời của hệthống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc độ truyền dữ liệu để

có thể truyền được nhiều thông tin hơn nữa hoặc tăng khoảng cách truyền dẫn giữacác trạm lặp

Trước thế kỷ thứ XIX, tất cả các hệ thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rấtthấp về cơ bản, chỉ dưới ánh sáng hoặc âm thanh như đèn tín hiệu hay kèn Mộttrong những tuyến truyền dẫn ánh sáng được biết sớm nhất đó là sử dụng lửa củanhững người Hy Lạp trong những thế kỷ trước công nguyên để truyền tín hiệu báođộng, lời cầu cứu hay các thông báo về những sự kiện nào đó

Vào những năm 150 trước công nguyên, các tín hiệu nhìn thấy này được móhoỏ theo các ký tù alphabet để sử dụng rộng rãi phát đi những tín hiệu bản tin …Những cải tiến có đầy sự nghiên cứu nhưng còn hạn chế về công nghệ, như tốc độcủa 1 tuyến thông tin bị hạn chế bởi sử dụng mắt người làm thiết bị thu, chính vìvậy mà đòi hỏi tuyến truyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do ảnh hưởng củasương mù, mưa nên sẽ làm cho tuyến truyền bị gián đoạn, nhiễu, không tin cậy, vìthế nên việc gửi các thông tin bằng sức người lại nhanh hơn và hiệu quả hơn

Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B Morse đã mở ra một kỷ nguyênthông tin mới - kỷ nguyên thông tin điện Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiênđược sử dụng cáp đồng từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo, các công trìnhthông tin đã được mở rộng bằng việc xây dựng các tổng đài điện thoại vào năm

1878 và năm 1887 phát hiện ra bức xạ điện từ bước sóng dài Năm 1895 ứng dụngbức xạ này để truyền vô tuyến

Trong các hệ thống điện, dữ liệu được truyền cỏc kờnh thông tin bằng cáchchồng cỏc kờnh thông tin lên một sóng điện gọi là sóng mang

Tại phớa thu thụng tin được tỏch ra khỏi súng mang và sử lý theo ý muốn.Lượng thụng tin cần truyền liờn quan trực tiếp đến dải tần súng mang hoạt động.Khuynh hướng trong việc phỏt triển của hệ thống thụng tin điện là sử dụng cỏctần số cao dần lờn phải tăng độ rộng băng truyền và dung lượng thụng tin cũngđược tăng lờn tương ứng, dẫn đến sự ra đời của vụ tuyến truyền hỡnh, ra đa và cỏctuyến vi ba.

Cỏc phần tử cơ bản của một hệ thống thụng tin

Đõy là nguyờn lý thụng tin nguyờn thuỷ

Theo sơ đồ tớn hiệu cần truyền đi sẽ được phỏt vào mụi trường truyền dẫn,tương ứng ở đầu thu sẽ thu lại tớn hiệu cần truyền Như vậy, tớn hiệu đó được thụngtin từ nơi gửi tớn hiệu đi đến nơi nhận tớn hiệu đến Đối với hệ thống thụng tinquang thỡ mụi trường truyền dẫn ở dõy là sợi dẫn quang, nú thực hiện truyền ỏnhsỏng mang tớn hiệu thụng tin từ phớa phỏt tới phớa thu

* Tiến trỡnh phỏt triển của hệ thống thụng tin quang:

Vào năm 1960, việc phỏt minh ra tia laser để làm nguồn phỏt quang và sợi dẫnquang (nhưng độ suy hao lớn lờn tới 1.000dB/km) đó mở ra một thời kỳ mới cú ýnghĩa lớn trong kỹ thuật thụng tin sử dụng dải tần số ỏnh sỏng và tạo ra được một

mụ hỡnh hệ thống cú xu hướng linh hoạt hơn

Vào năm 1970, đó chế tạo thành cụng sợi thủy tinh cú độ suy hao bộ(20dB/km), cho đến nay độ suy hao đạt tới mức cực nhỏ chỉ cũn 0,154dB/km tạibước súng 1500nm Giỏ trị suy hao này gần đạt tới tớnh toỏn lý thuyết cho cỏc sợiđơn mode là 0,14dB/km Cựng với cụng nghệ chế tạo cỏc nguồn phỏt quang và thu

Nơi tín hiệu

đi Nơi tín hiệu Thiết bị phát đi truyền dẫnMôi tr ờng Thiết bị thu Nơi tín hiệu đến

quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trộihơn so với hệ thống thông tin cáp kim loại.

- Suy hao truyền dẫn nhỏ

- Băng tần truyền dẫn lớn

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin

- Kích thước và trọng lượng nhỏ

- Sợi có tính cách điện tốt

- Tin cậy và linh hoạt

- Sợi được chế tạo từ vật liệu có sẵn

Nhờ đó mà đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều mạng lưới như tuyến đườngtrục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao, kéo dài cho cả việc truy nhập vào mạng thuê bao,đáp ứng mọi yêu cầu từ trong nhà các cấu hình thiết bị, tới xuyên lục địa, vượt đạidương … Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống tuyềndẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghộp kờnh nào

Các tiêu chuẩn của Bắc Mỹ - Châu Âu hay Nhật Bản hiện nay các hệ thốngthông tin đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng các tín hiệuanalog hay digital cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băngrộng, đáp ứng mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN) Số lượng cápđặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với những cự lykhác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng, có những nước phát triển mạnh mẽ, lấy cápquang làm môi trường truyền dẫn mạnh mẽ chính trong mạng lưới viễn thông

* Sự phỏt triển của hệ thống thụng tin quang:

Biểu hiện qua Hỡnh 1

Cỏc hệ thống hoạt động ở bước súng 1550nm cho mức suy hao thấp nhưng lại

cú mức tỏn xạ tớn hiệu lớn hơn ở bước súng 1300nm Vỡ mức tỏn xạ này cú thểđược khắc phục bằng cỏch sử dụng cỏc sợi quang được chế tạo đặc biệt nờn nỳ đúthu hút sự chỳ ý của tuyến truyền dẫn dưới biển và trờn lục địa

Hệ thống 5 Gbit/s;233km với 5 bộ k/đ quang

Sợi đơn mode 1300nm

1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 19900.1

Tách sóng kết hợp đơn mode 1550nm

Cấu trúc các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang:

M¸y thu quang

M¸y ph¸t quang

Kh«i phôc tÝn hiÖu

Bé chia quang

Bé nèi quang

T/h ®iÖn

T/h quang

Sợi đơn mode chỉ truyền duy nhất một mode, sợi đa mode có đường kính Dkkhá lớn, còn sợi đơn mode có đường kính Dk là nhỏ.

Nếu hiểu mode là các tia sáng thành phần được truyền dẫn thì trong sợi đamode có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, còn trong sợi đơnmode chỉ có 1 mode được truyền là tia chạy song song với trục của sợi.

Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang hiện nay phù hợp cho việc truyềndẫn tín hiệu số

Các thành phần chính của 1 tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang vàphần thu quang

- Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và cácmạch điều khiển liên kết với nhau

- Phần cáp sợi quang: gồm các sợi dẫn quang và cỏc lớp vỏ bọc xungquanh để bảo vệ sợi khỏi bị tác động của môi trường bên ngoài

- Phần thu quang: do bộ tỏch súng quang và các mạch khuếch đại, táitạo tín hiệu hợp thành

Ngoài ra cũn cú cỏc bộ nối quang (connector) các mối hàn chia quang và cáctrạm lặp

1.2 Cấu tạo và các thông số của cáp sợi quang.

1.2.1 Cấu tạo sợi quang:

Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính a, đường kính Dk vàlíp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang xung quang ruột có chiết suất n2 (n2<n1)

Đường kính Dm

n1, n2 và a là các tham số quyết

định đặc tính truyền dẫn của sợi

Với 2 chiết suet n1, n2 có thể

định nghĩa được:

Hình 4- Cấu tạo sợi quang

n 2

Dk Dm

(H.3c)

- Độ lệch chiết suất: ∆n = n1 - n2

- Độ lệch chiết suất tương đối:

∆ = ∆n/n1 = (n1 - n2)/n1 = (n12 - n22)/2n12

Hai tham số này cũng quyết định đặc tính tuyền dẫn của sợi

1.2.2- Phân loại và cấu trúc các sợi quang

a, Phân loại sợi quang:

Nhờ vào đặc tính truyền dẫn và những ứng dông cụ thể mà người ta chia sợiquang ra những phương pháp khác nhau

* Phân loại theo cấu tạo: Phân chia theo kích thước ruột và vỏ, theo loại vật liệu

sử dụng và theo sự biến thiến chiết suất trong ruột sợi

* Phân loại theo đặc tính truyền dẫn: Phân chia theo các sợi đơn mode hay đamode Trong thựctế đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia theo 2 loại này vỡ núbao gồm sự khác biệt về cấu trúc của vỏ và ruột sợi

b, Cấu trúc các sợi đơn mode và đa mode

Đặc điểm của sợi đa mode là sự truyền đồng thời nhiều mode, tạm thời chúng

ta chỉ hiểu mode là một loại sóng hoặc là một tia thành phần, còn sợi đơn theo sựbiến thiên của chiết suất bên trong của sợi đơn, người ta chia sợi có chiết suất bậc

SI (Step Index) và sợi chiết suất biến thiên liên tục GI (Graded Index)

Trong sợi SI-MM chiết suất của sợi (n1) khụng thay đổi (vì n1>n2) của vỏ, nêntại mặt phân cách vỏ, ruột chiết suất có bước nhảy trong sợi GI-MM Chiết suất n1

của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần cho đến mặt phân cách của vá

- ruột thì có giá trị n2 của vỏ Sợi đơn mode được chế tạo là loại sợi SI-MM, nhưvậy có thể tạm chia sợi thành 3 loại trên

H.3a: Sợi đa mode chiết suất bậc SI-MM (Multi Modes)

H.3b: Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI-MM

H.3c: Sợi đơn mode SI-MM (Single Mode)

Sự biến đổi của sợi có biểu hiện qua:

H5: Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác

Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác

Khi muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột và vỏ sợi, người ta cho thêm chấtkhác vào

Vớ dô: Cũng là thuỷ tinh thạch anh cho thêm hoạt chất:

- Cho GcO2 vào làm tăng chiết suất

- Cho Fluorid (F) vào làm giảm chiết suất

1,41,451,46n

/m

1.2.3- Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

Nguyên lý cơ bản truyền dẫn ánh sáng dùa vào hiện tượng phản xạ toàn phầncủa tia sáng tại mặt phân cách giữa 2 môi trường khi nó đi từ môi trường đặc hơnsang môi trường loãng hơn (H6a; H6b)

Cho mét tia sáng đi từ một môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai

có chiết suất n2<n1

Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường mộtgóc Khi sang môi trường thứ 2 tia sáng bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P mộtgóc khúc xạ Quan hệ của góc và với các chiết suất n Quan hệ của góc  và  với các chiết suất n  Quan hệ của góc  và  với các chiết suất n 1 và n2 tuân theo định luậtkhúc xạ của Slelious

n1.sin = n2.sin Quan hệ của góc  và  với các chiết suất nKhi tia tới đạt đến góc T (tia 2) thỡ nú khụng đi vào môi trường thứ 2 nữa mà bịkhúc xạ chạy song song với mặt phân cách, góc khúc xạ là:

 Quan hệ của góc  và  với các chiết suất nT = 90o

2

n

1

P22

Nếu cho tia tới với góc tới > T thì tia sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách trở lạimôi trường 1, do đó người ta gọi T là góc tới hạn Độ lớn của góc tới hạn phụ thuộcvào độ lệch chiết suất của 2 môi trường.

Muốn có phản xạ toàn phần cần phải có những điều kiện sau:

+ n1 > n2

+ góc tới lớn hơn góc tới hạn T ( > T)

1.2.4- Kích thước sợi và vật liệu chế tạo sợi

Tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia quy định, đangđược tiêu chuẩn hoá quốc tế Một số loại sợi có kích thước và vật liệu như trongbảng sau (H4.0)

Bên ngoài líp vỏ còn được phủ 1 hoặc 2 líp bao che để khi chế tạo thành cáp cótác dụng chống Èm và có tác dụng tăng độ bền cơ học, ngăn cản các chỗ rạn nứttrên mặt vỏ sợi, giảm chất lượng truyền dẫn Do vậy nếu sợi có đường kính vỏ là

125 m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là dm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d <245 m (Bảng 1)m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Thuỷ tinh thạch anh 50 Thuỷ tinh thạch anh 125

Thủy tinh nhiều

cự ly xa Sau này chúng ta chủ yếu đề cập đến các loại sợi quang dùng trong hệthống dẫn đường trục cự ly xa.

* Núi chung các loại sợi SI chỉ dùng cho truyền dẫn trờn cỏc cự ly gần, có kíchthước dk > 50 m và dm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d m >125 m và có thể chế tạo từ thuỷ tinh hoặc nhựa tổng hợpm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là dtheo các cấu trúc sau:

Ruột thủy tinh - Vỏ thủy tinhRuột thủy tinh - Vỏ nhựa tổng hợp

Vỏ và ruột đều là nhựa tổng hợp

* Nhựa tổng hợp: là polyme cao phân tử như polystyrol có chiết suất n = 1,59hoặc polymethy lacrylat có chiết suất n=1,49

* Sợi GI-MM được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực viễn thông, với vỏ và ruộtđều điều chế từ thủy tinh thạch anh, có kích thước chuẩn là:

dk = 50 + 3 mm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

dm = 125 + 3 mm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là dChủ yếu trong thông tin đường trục hiện nay sử dụng sợi đơn mode SM có kíchthước:

dk = 8 - 10 mm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

dm = 125 + 3 mm thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

1.2.6 Các đặc tính tham số truyền dẫn.

1.2.6.1- Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode:

Đặc điểm của sợi đa mode là có đường kính dk lớn hơn bước sóng công tác (dk< ).

a, Trong sợi SI - MM:

Chiết suất của vỏ n2<n1 của ruột khoảng 1%

Xột hình bổ dọc trục sợi, xem xét các tia sáng lan truyền trong 1 mặt phẳng nhưhình sau:

Hình 7: Sù lan truyền của tia sáng trong sợi SI-MM

Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang phải đi qua môi trường khôngkhí có chiết suất nk = 1 rồi vào ruột sợi có chiết suất n1 lớn hơn nk Vì thế khi đi quamặt cắt đầu sợi, các tia sẽ bị khúc xạ

Chùm a.s đi vào sợi là vô số tia với cỏc gúc tia tới 0 khác nhau Trong sợi cómột tia song song với trục quang của sợi (tia 1) và nhiều tia khác tạo với trục quangtạo một gúc ngiờng, ở mặt phân cách của vá - ruột, các tia này tạo với pháp tuyếncủa mặt phân cách một góc ’T thỏa mãn điều kiện:

k =1

’T = 90o - A

Để các tia này lan truyền được trong ruột sợi đến đầu cuối sợi tại mặt phân cách

vá - ruột thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần

Góc tới hạn T được tính:

sin T = n2/n1   T = arcsin(n2/n1)Các tia muốn được lan truyền phải có góc tới ’T> T, các tia được phản xạ đi quatâm sợi đến phía đối diện tại đó lại được phản xạ toàn phần, ngược lại cứ như vậycác tia chạy theo các đường rích rắc đến cuối sợi

Tương ứng với góc tới hạn T có góc ngiờng lớn nhất cho phép các tia so vớitrục quang là Amax

Amax = 90o - T

Các tia sáng muốn lan truyền thỏa mãn điều kiện thì phải có góc thỏa mãn:

0 < A < Amax

Sợi SI-MM này dùng thuỷ tinh thạch anh, giá trị của n/n(r/a) 1 nằm trong phạm vi

từ 0,01 0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:

Amax = 8o0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:11o

Muốn các tia trong sợi SI-MM được truyền dẫn còn phản xạ toàn phần trên mặtphân cách vá - ruột sợi thỡ các tia đưa vào sợi phải nằm trong hình nón các tia vớinửa góc mở là max ở đầu cuối sợi các tia cũng được bức xạ ra dưới một hình nónvới góc mở bằng góc lý thuyết max

 AN (Numerical Aperture): độ mở đặc trưng cho khả năng ghép luồng bức xạquang vào sợi và khả năng truyền dẫn của sợi Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy

ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn max Sincủa góc tới hạn này là khẩu độ số ký hiệu là AN

Hình 8: Sự phản xạ của các tia sáng trong sợi

Áp dụng công thức shell để tính NA:

Tại điểm A đối với tia 2:

n0sinmax = n1.sin(90o

- 0)Nếu n0=1, chiết suất của không khí

sinmax = sin(90o

max

o=900

1

23

1 n1

n

2

A

= (n

(r/a) 12 - n22)/2n12 = (n1 - n2)/n1: độ lệch chiết suất tương đối

Độ lệch chiết suất tương đối có giá trị khoảng từ 0,002 0,003 (tức là(r/a) 0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:0,2% 1,3%)0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:

Do các tia tới chạy theo rích rắc khác nhau đến cuối sợi, sẽ có độ dài quãngđường khác nhau cho đến từng tia sáng thành phần có thời gian lan truyền tới cuốisợi khác nhau Do đó độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỷ lệ thuận với độ

mở AN Ngược lại hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn bức xạ vào sợi quang lại tỷ lệthuận với bình phương của độ mở AN Vì vậy muốn có hiệu suất ghép ánh sáng caocần chọn sợi có độ mở AN lớn, song lại sinh ra độ lệch về thời gian lớn Do đó 2yêu cầu đối với sợi có độ rộng băng truyền dẫn lớn và có hiệu suất ghép ánh sánglớn là luôn mâu thuẫn với nhau

b, Trong sợi GI-MM

* Đặc điểm: Chiết suất của ruột sợi là thay đổi theo bán kính, còn ở vỏ sợi thìchiết suất của nó không thay đổi Trong ruột sợi thì chiết suất của nó có giá trị giảmdần từ giá trị lớn nhất n0 ở tâm sợi cho đến giá trị nhỏ nhất n2 tại mặt phân cách vá -ruột và là một hàm số của bán kính r hoặc tỷ số r/a

Hình 9- Đặc tuyến truyền dẫn ánh sáng trong sợi GI-MM

* Tia 1: tia dọc trục

* Tia 2: tia không đến mặt giới hạn vá - ruột

* Tia 3: tia đến mặt giới hạn vá - ruột

r

n0

21

Tia dọc trục có đường đi ngắn nhất, nhưng vỡ cú n(r) = n0 = max nờn cú tốc độ

bé nhất

Vì vậy trong sợi GI-MM thì sự thay đổi tốc độ lan truyền bù lại sự chênh lệch

về quãng đường của các tia, bù trừ sự chênh lệch thời gian truyền dẫn của chúng và

độ chênh lệch thời gian trong sợi GI nhỏ hơn trong sợi SI nhiều Nên chiết suất củaruột sợi biến thiên theo gần hàm parabol, có tham số mặt cắt gần bằng 2 thì sợi làtối ưu, có độ lệch thời gian là bé nhất

* Nhược điểm của sợi GI là góc mở thay đổi theo vị trí đưa chùm tia vào vàkéo theo độ mở của sợi luôn thay đổi

1.2.6.2- Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode

Muốn sóng lan truyền trong sợi đơn mode thì cần chọn độ lệch chiết suất tươngđối nhá hơn ở chế độ đa mode Đường kính D(r/a) k ở sợi đơn mode nhỏ hơn của sợi

đa mode Vì chỉ còn một mode lan truyền nờn khụng lệch thời gian ở cuối sợi,khụng mộo tín hiệu, do đó sợi có băng tần truyền dẫn rất lớn và cho phép truyềndẫn lượng thông tin rất xa

* Nhược điểm của sự lan truyền này là sợi có đường kính ruột sợi nhỏ nên việchàn nối các sợi gặp rất nhiều khó khăn hơn sợi đa mode

1.2.7- Tiêu hao truyền dẫn trong sợi quang

1.2.7.1- Định nghĩa:

Khi lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng bị giảm dần, ánh sáng bị tổnhao

P(z) = P(o).10/10

Trong đó: P(o): Công suất ở đầu sợi (z=0) P(o): Công suất ở đầu sợi (z=0)

P(z): Công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi: hệ số suy hao

* Độ suy hao của sợi được tính:

P P

dB A

2

1

lg 10 )

Trong đó: P P1 = P(0): công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L): công suất ở cuối sợi

* Hệ số suy hao trung bình:

(dB/km) = A(dB)/L(km)Trong đó: A: suy hao của sợi A: suy hao của sợi

L: chiều dài sợi1.2.7.2- Cỏc nguyên nhõn gây tiêu hao

* Hiện tượng hấp thụ:

a, Hiện tượng tự hấp thụ:

Do sợi quang được chế tạo bằng các vật liệu thủy tinh thạch anh, hoặc thủy tinhthạch anh nhiều thành phần nên ở một số bước sóng nhất định sẽ có lượng cộnghưởng quang, quang năng bị hấp thu và chuyển hoá thành nhiệt năng, bước sóng

>1,6 m tiêu hao tăng lên nhanh, vùng bước sóng công tác >0,85 m tiêu hao thấp.m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

b, Hiện tượng hấp thụ do không tinh khiết

Do vật liệu sợi quang không hoàn toàn tinh khiết, các tạo chất kim loại trongthuỷ tinh là một trong nhữg nguồn hấp thụ ánh sáng Các tạp chất thường gặp như

Fe, Cu, Mn, Cr (chlonium), Co (cobal), Ni (niken)

Mức độ hấp thu của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóngánh sáng truyền qua nã

Hình 10- Đặc tuyến suy hao do sự hấp thụ của sợi

0

60 0 50 0

10 0

* Hiện tượng tán xạ:

Xuất hiện do ảnh hưởng của các chỗ không đồng nhất còn sót lại trong giaiđoạn làm nguội sợi trong quá trình nấu chảy thủy tinh để kéo dài sợi Ảnh hưởngcủa nó phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo sợi, kích thước của cácchỗ không đồng nhất nhỏ hơn bước sóng ánh sáng vùng hồng ngoại gần nhiều nênkhi bước sóng tăng thỡ thiờu hao này giảm nhỏ nhất rất nhanh

a, Tán xạ Rayleigh

Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi, gặp những chỗ không đồngnhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thủy tinh, các khuyết tật củasợi như bọt không khí, các vết nứt … khi kích thước của vùng không đồng nhất vàokhoảng 1/10 bước sóng thỡ chỳng trở thành những nguồn điểm để tán xạ Các tiasáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ mộtphần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền thộocỏc hướng khác, thậm chí còn truyền ngược lại phía nguồn phát quang

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Hình 11- Đặc tuyến của tán xạ Rayleigh

Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng( /4) nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài ở bước sóng 850nm suy hao do tán

xạ này của sợi silicat khoảng 1 2dB/km và ở bước sóng 1550nm suy hao chỉ còn lại0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:rất bé

Chóng ta cần chú ý rằng tán xạ Rayleigh la nguyên nhân gây suy hao cho sợiquang nhưng lại ứng dụng trong đo lường của máy đo quang

1

5

2 3 4

(dB/

km)

 m

b, Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và líp bọc không hoàn hảo: khi tia sángtruyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lừi - lớp bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ, lúc

đó chỉ 1 tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với cỏc gúc phản xạ khác nhau Những tia cógóc phản xạ nhỏ hơn góc tới sẽ khúc xạ ra líp bọc và bị suy hao dần

* Suy hao do sợi bị uốn cong:

a, Vi uốn cong:

Khi sợi bị chèn Ðp tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũngtăng lên sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ viuốn cong đó Một cách chính xác hơn, sự phân bổ trường bị tráo lộn khi đi quanhững chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi Đặc biệtsợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài

b, Uốn cong:

Khi sợi uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng Dĩnhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắpđặt Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn bán kính tối thiểu cho phép thìsuy hao do uốn cong không đáng kể bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đềnghị thông thường từ 30 50mm0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:

10 20 30 40 50 60

H12- Đặc tuyến suy hao do uốn cong

10 1 0.10.01

(dB/km)

R(nm)

* Các tiêu hao khác:

Đối với sợi có cấu trúc không đồng đều thỡ cú thêm phần tiêu hao phụ, chẳnghạn tiêu hao do tán xạ tại các sợi có cấu trúc không đồng nhất như uốn cong đườngkính ruột thay đổi, hoặc do chiết suất biến thiên không đều Bản chất của nó là domột phần năng lượng ánh sáng lọt ra ngoài vỏ chạy trong vỏ và suy giảm dần theohàm mũ Độ lớn tiêu hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép

1.2.8- Phổ tiêu hao của sợi quang

Trong thông tin quang dùng sợi thủy tinh thạch anh người ta chọn vùng bướcsóng có suy hao bộ (vựng truyền dẫn) hay vùng 3 cửa sổ nằm giữa các bước sóng0,8 1,7 m.0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất: m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Đặc tính của nó ở vùng bước sóng tiêu hao nhỏ từ 0,8 1,7 m được thể hiện:0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất: m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

H13- Đặc tuyến phổ tiêu hao của sợi quang

1.2.8.1- Vùng truyền dẫn 1: =0,8 0,9 m 0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất: m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

min = 2 2dB/km giá trị tiêu hao bé nhất, vùng này bị hạn chế bởi đỉnh tiêu hao ở0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:0,95 m mặc dù có nhiều sợi không còn đỉnh này nữa, đây là vùng dành cho sợi đam thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

1086420

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.5

 / (m)dB/km

mode SI-MM và GI-MM để ứng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn vớitốc độ truyền dẫn chỉ khoảng vài chục MBit/s.

Linh kiện phát ra là các Diode Laser hoặc LED chế tạo từ vật liệu Ga-As hoặcGa-Al-As và linh kiện thu chế từ vật liệu Silic

1.2.8.2- Vùng truyền dẫn 2: =1 1,3 m 0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất: m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Tiêu hao bé nhất của vùng này là: min = 0,35dB/km, tại =1,3 m m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Vùng này bị giới hạn bởi đỉnh tiêu hao ở 1,24 m và 1,38 m; tán xạ vật liệum thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là dkhông còn Nên sử dụng sợi đa mode GI và sợi đơn mode cho các hệ thống cự ly xavới tốc độ lên tới hàng 100MBit/s đi xa tới hàng chục km, linh kiện thu phát quangthường sử dụng là các bán dẫn liên kết 3 hoặc 4

1.2.8.3- Vùng truyền dẫn 3: Có bước sóng =1,5 1,7 m 0,03 Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất: m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Tiêu hao bé nhất của vùng này là: min = 0,16dB/km, tại =1,55 m m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d

Vùng này bị giới hạn bởi đỉnh suy hao hấp thụ ở bước sóng =1,38 m; chủ yếu m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là ddùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa với tốc độ truyền dẫnkhá cao lên tới hàng GBit/s và đi xa tới hàng trăm km Linh kiện thu phát quang sử dụng loại bán dẫn liên kết 4

Tại vị trí đổi chiều, ống đệm sẽ nằm song song với trục của cáp và vị trí củaống sau khi bện sẽ được cố định nhờ 2 dây bao quanh quấn theo 2 chiều ngượcnhau

1.2.9- Nhận xét thông tin cáp sợi quang

Kỹ thuật thông tin quang phát triển với 1 nhịp độ nhanh chóng, nhờ những tiến

bộ về mặt kỹ thuật công nghệ hiện đại, kỹ thuật truyền dẫn thu trực tiếp hiện naymới chỉ là bước phát triển đầu tiên trong lĩnh vực mới này

Mục đích xây dựng các mạng thông tin số đa dịch vụ ISDN và tiến đến xâydựng các mạng thông tin dịch vụ băng rộng IBCN (Intergrated BroadbandCommunications Network) đã thúc đẩy các tổ hợp khoa học - công nghiệp nghiêncứu phát triển các lĩnh vực ứng dụng mới của thông tin quang cũng như tạo ra các

hệ thống truyền dẫn cực lớn và có khả năng khoảng cách rất xa, các thông báo kếtquả thực nghiệm gần đây cho thấy ở các nước tiên tiến đã tập trung theo hướngphát triển mạng thông tin quang, trong đó cú cỏc hướng cơ bản sau:

- Các hệ thống truyền dẫn tốc độ lớn.

- Các hệ thống chuyển mạch quang

- Các mạch quang thích hợp

- Các bộ khuếch đại quang

- Các linh kiện thu, phát và làm việc trền các hệ thống truyền dẫn quangphi tuyến, trong đó có truyền siliton

* Về hệ thống truyền dẫn đã có nhiều hệ thống truyền dẫn tốc độ hàng GBit/s

sử dụng Laser và Diot thu quang tích hợp có độ ổn định cao Sử dụng kết hợp cácnguyên lý phõn kờnh, ghộp kờnh người ta đó ghộp nhiều luồng lớn trên 1 hệ thống

và nhất là ứng dụng các bộ khuếch đại quang, đã vượt qua được khoảng cách hàngtrăm km, đạt tích số độ rộng băng truyền khoảng cách lặp tới 1000Gbit/s.km

* Trên miền thuê bao đã tổ chức các hệ thống truyền dẫn dải rộng, ghộp kờnhtheo phổ, đưa thông tin điện sang thông tin quang thuần tuý

* Trong lĩnh vực chuyển mạch quang đã ứng dụng nhiều nguyên lý phõn kờnh,theo không gian, thời gian phổ và thử nghiệm chuyển mạch photon là chuyển mạchquang thuần tuý

* Việc nghiên cứu tìm ra vật liệu sợi quang với công tác bước sóng hồng ngoạigiữa có tiêu hao rất nhỏ cho phép các hệ thống truyền dẫn trong tương lai vượt quakhoảng cách bất kỳ mà không cần trạm lặp

Chương II

Kỹ thuật đo lường các thông số của

CÁP QUANG

2.1- Mục đích và yêu cầu

Trong kỹ thuật thông tin nói chung, thông tin quang nói riêng vấn đề đo lường

để đo lường và xác định các thông số đã được nghiên cứu cũng như các thông sốphục vụ cho việc nghiệm thu các công trình thông tin mới được xây dựng Trướckhi được đưa vào khai thác và các hệ thống thông tin đang được khai thác cú cũnđảm bảo chất lượng theo các chỉ tiêu đã được quy định là việc rất quan trọng Cácđại lượng cần đo thử là công suất, độ rộng băng tần truyền dẫn, tỉ số lỗi bit … ta cóthể tách ra hai loại đo thứ như sau

* Đo thử áp dụng trong phòng thí nghiệm và nới chế tạo

* Đo thử áp dụng trờn cỏc hệ thống thông tin đang xây lắp hoặc đang vận hànhkhai thác

Đối với sợi dẫn quang việc đo thứ là một vấn đề mới, nên một số thông số củaphương pháp đo có thể đáp ứng tiếp cận được nhờ vào phương pháp quang hình.Song do đặc tính sóng của ánh sáng nên có nhiều kết quả đo không thể giải thíchđược, dễ gây sai sót khi đo

Do vậy, các phép đo với tín hiệu quang cần lưu ý trước 1 số đặc điểm đặc biệt

có liên quan đến chất lượng phép đo thử

2.2- Đo trên sợi quang

2.2.1- Đo trường xa:

Khi đo lường trên sợi quang độ mở (NA) của sợi quang giữ một vai trò cực kỳquan trọng Còn khi hàn nối hoặc nối qua bộ nối hai sợi quang với nhau thì yêu cầu

độ mở của chúng phải bằng nhau Trong trường hợp nối sợi quang vào các linh kiện phát quang hoặc thu quang cũng cần phải quan tâm đến độ mở của sợi quang

Độ mở (NA) có tầm quan trọng cao nên việc đo độ mở là vô cùng cần thiết Độ mở (NA) của sợi quang được định nghĩa là nửa góc mở lớn nhất của ánh sáng bên ngoài sợi Như vậy phải đo biểu đồ hướng bức xạ của sợi quang hay còn gọi là đo trường xa Công suất bức xạ ra của sợi quang phụ thuộc vào góc mở Sơ đồ đo trường xa được trình bày trờn hỡnh (H14)

Trên H14 Sợi quang cần đo được cung cấp bức xạ quang trên toàn mặt cắtngang với góc mở lớn hơn dự toán Ở đầu và cuối sợi quang có 2 bộ lọc mode đểkhử mode vá

Công suất ra phụ thuộc vào góc mở của sợi quang cần đo Độ mở của góctương ứng với trường hợp công suất ánh sáng đo được giảm đi còn 5% giá trị côngsuất đo được lớn nhất giảm đi còn 5% giá trị công suất đo được lớn nhất Ngày nay,người ta đã chế tạo được máy đo tự động hóa hoàn toàn

2.2.2- Đo trường gần

Là đo cường độ bức xạ trên bề mặt của nguồn phát quang (Diode phát quanghay diode laser) hay ở đầu ra của sợi quang Khi đưa nguồn bức xạ quang vào sợiquang, nếu tất cả các mode truyền dẫn đều được phép vào sợi quang thì kết quả đosợi biến thiên của trường gần sẽ cho biết chính xác sự biến thiên của đường bao

Bé läc mode

chiết suất trong ruột sợi Vậy đo trường gần cho phộp xỏc định sự biến thiờn chiếtsuất của sợi quang.

H15- Đo trường gần

Vỡ vựng cỳ bức xạ ra rất nhỏ nờn khụng thể đo trực tiếp trường gần Ở đõyngười ta phải dựng một kớnh phúng đại để phúng đại trường lờn V lần (V=40-100)

do đú nhận được ảnh hưởng của trường ra từ ruột cỏp lờn lớn hơn

Sự phõn bố trường gần thể hiện gần đỳng theo cụng thức sau:

P(r) = [n(r) – n2]/n1- n2 (2.1)Trong đú:

n1:chiết suất lớn nhất của lừi sợi quang

n2: chiết suất của vỏ sợi

Đo trường xỏc định chiết suất n(r) trong ruột của sợi đơn mode khú khăn hơn sovới sợi đa mode vỡ hiệu ứng uốn cong lớn cú ảnh hưởng lớn đến kết quả đo của sợiquang đơn mode vỡ đường kớnh Dk nhỏ Cũn sợi đa mode thỡ cú đường kớnh Dk lớnnờn ảnh hưởng ít đến kết quả phộp đo Vỡ vậy hiệu ứng uốn cong của sợi đa modecho phộp bỏ qua

2.2.3- Đo tiờu hao trờn sợi quang

Để đo suy hao của sợi quang, thiết bị đo bao gồm khối phỏt và khối thu quangvới cỏc nhiệm vụ sau:

Phóng đại V lần

- Khối phát quang phát xạ ra ánh sáng có bước sóng và công suất ổnđịnh để phát vào sợi quang cần đo thử.

- Khối thu quang thu công suất ánh sáng ra khỏi sợi quang Hiện nayngười ta sử dụng 2 phương pháp đo cơ bản sau:

2.2.3a, Phương pháp đo cắt ngược

Sơ đồ đo cắt ngược được trình bày như sau (H16)

+ Giá trị công suất đo được là P2 (dBm)

+ Kết quả sau khi đo giữa khối thu vào đầu đoạn ngắn là P1 (dBm)

+ Độ dài sợi quang sau khi trừ đi đoạn cắt là L

hệ số tiêu hao sợi sẽ là: = (10/L)logP

hoặc tính theo mức điện nếu máy đo hiển thị (dB) là:

= (P1 - P2)/L [dB/km](2.3) (2.3)2.2.3b, Phương pháp đo suy hao ghép xen

Phương pháp đo này giữa 2 đâu ra khối phát và đầu vào khối thu người ta nốilần lượt vào hai đoạn sợi quang ghép xen

Đầu tiên đo công suất đoạn dài được P2

Sau đó đo công suất đoạn ngắn được P1

Sau đó ta được L (L = L1 - L2) thì được giá trị tiêu hao sợi quang là:

= (10/L)logP1/P2 [dB/km](2.4) (2.4)

Sîi quang L2

T¸ch quang §¸n

Trong hệ thống Thông tin quang, các bộ tỏch súng quang phải thỏa mãn cácyêu cầu về tốc độ nhaỵ-độ nhạy cao-tạp âm thấp và bước sóng họat động phù hợp.Hiện nay có một số loại bộ tỏch súng quang đang được sử dụng với các mục đíchkhác nhau, nhưng tách quang bán dẫn là được sử dụng vì:

 Kích thước nhỏ

 Vật liệu phù hợp

 Độ nhạy cao

 Thời gian đáp ứng nhỏ

Bộ tỏch súng quang lượng tử được chia ra hai dạng:

Linh kiện sử dụng hiệu ứng quang nội và hiệu ứng quang ngoại

Hiệu ứng quang nội là quá trình tạo ra các phần tử mang điện trong chất rắn,nghĩa là tạo ra cặp điện tử-lỗ trống trong bán dẫn khi có tác dụng của lượng tử ánhsáng Các linh kiện này gồm điện tử quang Photodiode, Transistor và Thyristosquang Có hai loại được sử dụng Photodiode được sử dụng là Photodiode PIN vàPhotodiode thác APD(avalanced Photodiode) Cả hai loại này đều dùng hiệu ứngquang nội xảy ra ở vùng lân cận tiếp giáp P-N.

Quá trình chuyển đổi quang điện xảy ra ngược với quá trình xảy ra trong LED

và LD Líp tiếp giáp P.N ở diode quang được đặt một điện áp phân cực ngược đểtạo ra trường dịch chuyển các phân tử tải điện thiểu số sẽ được sinh ra Khi chưa cótác động của ánh sáng, thì trong điode thu chưa có dòng điện, và chỉ xuất hiện dòngđiện rò rất nhỏ vì điode bị khóa Khi có ánh sáng tác động vào, năng lượng cácphoton được chuyển cho các điện tử để nâng điện tử lên dải dẫn Tại tiếp giáp P.Nsinh ra một miền điện tích không gian, các điện tử thiểu số từ miền P sang miền N,các lỗ trống từ miền N sang miền P

Như vậy trên mạch ngoài có một dòng điện chạy qua gọi là dòng quang điện

có tần số và cường độ hoàn toàn phụ thuộc vào tần số và cường độ ánh sáng chiếuvào

Độ rộng của miền điện tích không gian và tốc độ trôi của các phần tử mangđiện thiểu số quyết định thời gian trôi của chúng

Các điode quang hoạt động gắn liền với mạch khuyếch đại thu Để đảm bảo vềyêu cầu về chất lượng truyền dẫn, các điode quang phải thoả món cỏc yêu cầu sau:1- Thời gian tăng trưởng (rise time) nhá

2- Điện dung tiếp giáp nhỏ

3- Dòng ngược nhỏ

4- Tạp âm nổi nhỏ

5- Đáp ứng quang điện (tỉ số giữa dũng điện sinh ra và công thức ánh sángđưa vào)

Nguyên lý chung của hai loại điode PIN và điode APD về cơ bản giống nhau ánh sáng đưa vào miền tiếp giáp PIN được phân cực ngược, tạo ra cặp điện tử lỗ trống được dịch nhờ điện trường ngoài tạo ra dòng điện Loại điode APD có khả năng khuyếch đại dòng quang điện nhờ hiện tượng ion hóa do va chạm gây ra sự tăng đáp ứng quang

3.1.1 Các bộ tách Quang:

Có hai loại Photodiode được dựng tỏch quang là: Photodiode PIN và

Photodiode thác (APD-Avalanced Photodiode)

Các yêu cầu kỹ thuật đối với bộ tỏch súng quang:

 Bước sóng: Nhạy đối với bước sóng hoạt động của hệ thống (850, 1300, 1550nm)

 Độ nhạy: Có độ nhạy càng cao càng tốt, tức là khả năng tách được các tín hiệu quang ứng với công suất thật nhỏ với tỷ số lỗi (BER) trong phạm vi cho phép Linh kiện tỏch súng càng nhạy thì càng có khả năng tăng cự ly thông tin

 Đáp ứng nhau để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ bit cao

 Dòng tối nhỏ: Khi chưa có ánh sáng chiếu vào nhưng linh kiện tỏch súng quang vẫn có dòng điện nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng tốt

 Tạp âm: có tạp âm càng thấp càng tốt để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm(S/N)

 Độ tin cậy cao

tử càng cao nhưng đồng thời thời gian trôi của điện tử sẽ càng chậm Điều này làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ rất cao của PIN.

Bề dày của líp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng vào bán dẫn ánhsáng có bước sóng càng dài thì khả năng thâm nhập vào bán dẫn càng lớn

Người ta sử dụng hiệu ứng nhân điện trong bán dẫn chế tạo ra APD gồm 4 líp:

P+, p-, p ,N- (hình), mục đích là để tăng đáp ứng quang của điode quang

+

P+

P+

Hình 18 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vựng trụi

a> Cấu tạo

b> Phân bố cường độ điện trường

c> Quá trình nhân điện tử

Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trường trong cỏc lớp bán dẫn Trong đó điện trường vùng tiếp giáp PN cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra ở vùng này Vùng này gọi là “vựng thỏc lũ”

Khi có ánh sáng chiếu vào, các Photon bị hấp thụ trong líp P- và tạo ra các cặpđiện tử lỗ trống Lỗ trống di chuyển về phía líp P+ nối với cực âm của nguồn, còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN- Điện trường cao trong vùng tiếp giáp PN-

sẽ tăng tốc cho điện tử –lỗ trống mới (gọi là ion hóa do va chạm) Các điện tử thứ cấp mới được tạo ra lại có khả năng gây ra sù ion hóa do va chạm Quá trình tiếp diễn và số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn

Do quá trình va chạm và tăng các hạt tải điện như vậy dòng quang điện trong APD đã được nhân lên M lần, với M là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp

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 Ên định rất khó khăn

Ngoài ra nếu vựng thỏc lũ càng rộng

thì hệ số M càng lớn Nhưng lúc đó thời gian trôi của dòng càng chậm nên tốc

độ hoạt động của APD giảm

Giá trị của hệ số nhân M trên lý thuyết từ 10-1000 lần Trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực cho APD sao cho M=50-200 lần Vì M càng lớn thỡ dũng nhiễu củaAPD càng cao

3.2 Bé thu quang trong truyền dẫn tín hiệu sè

Phần lớn các hệ thống thông tin quang hiện nay thực hiện truyền dẫn tín hiệu số Tín hiệu được phát ra từ phớa phỏt là luồng số nhị phân với giá trị 0 và 1 trong một khoảng thời gian Có nhiều hình thức phát tín hiệu để gửi luồng tín hiệu

về phía thu Đơn giản nhất là kỹ thuật phát thu tín hiệu theo biên động Phương pháp này mức điện áp được thay đổi giữa hai giá trị mà thường gọi là “thụng” và

“tắt” tín hiệu sẽ chứa các xung điện áp, tùy thuộc vào dạng mã đường truyền được

sử dụng Các giá trị “0”, ‘1” có thể được gán vào cho mét khe thời gian

Dưới đây là sơ đồ khối bộ thu quang (hình) trong hệ thống truyền dẫn số; mô

tả tổng quát trên hình vẽ Bộ tỏch súng PIN hoặc APD thực hiện biến đổi công suất quang thành tín hiệu điện Bộ khuyếch đại thực hiện biến đổi dòng này thành tín hiệu điện áp với mức phù hợp cho các mạch điện tiếp sau Bộ lọc ở đây giới hạn băng tần thu, làm giảm tối thiểu tạp âm phát ra từ bộ tỏch súng và khuyếch đại Xung clock được tách ra từ tín hiệu số chung và được dùng để tái tạo lại tín hiệu số trong mạch quyết định

đồng hồ

Dữ liệu ra

Hình 19-Sơ đồ khối bộ thu quang điển hình trong hệ thống truyền dẫn sốĐặc tính bộ thu quang được đánh giá theo độ nhạy thu tức là lượng công suất quang yêu cầu để đạt được tỷ lệ lỗi bit đã cho Nói một cách khác, độ nhạy thu là mức công suất quang nhỏ nhất có thể thu được mà vẫn đảm bảo tỷ lệ lỗi bit cho

bé läc

Bé c©n b»ng

trước Đặc tính của bộ tách quang và mạch tiền khuyếch đại là yếu tố chính để xác định độ nhạy thu của bộ thu quang.

Hai loại tỏch súng sử dụng rộng rãi hiện nay trong hệ thống thông tin quang làđiode PIN và APD Việc chọn lùa bộ tách quang sẽ có ảnh hưởng tới đặc tính bộ thu vỡ cú sự khác nhau về tạp âm được xác định chủ yếu dùa vào sự phân bố tạp

âm nhiễu Photodiode, mà tạp âm này được xác định do dòng tối của bộ tỏch súng

và công suất quang trung bình thu được

Khi sử dụng APD, tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) được xác định không chỉ từtạp âm nhiệt cảu bộ khuyếch đại, mà còn từ tạp âm lượng tử do công suất quang trung bình thu được đi tới được khuyếch đại, nhờ tăng tớch thỏc của bộ tỏch súng Đối với tạp âm nhiệt tiền khuyếch đại đã cho trước, có thể làm tối ưu tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) bằng cách thay đổi thiờn ỏp Photodiode

Chọn các bộ tách quang trong hệ thống thông tin quang thường phải dùa vào các yếu tố qũy công suất hệ thống, dải rộng theo yêu cầu tính phức tạp phần cứng

và hiệu quả kinh tế

PHẦN 2

Công nghệ hệ thống thông tin quang

Chương I.

Thiết kế tuyến cáp quang trung kế -đường dài

1.1 THẾ NÀO LÀ TUYẾN TRUNG KẾ VÀ ĐƯỜNG DÀI

(1) Hai loại tuyến:

Có hai loại tuyến truyền dẫn viễn thông Loại thứ nhất là đường dây thuê bao

và thứ hai là tuyến trung kế/đường dài Bảng 2 cho chóng ta biết các đặc điểm chủyếu của các loại tuyến

Bảng 2 Các đặc tính chủ yếu của các tuyến

Thuê bao Từ đài trạm điện thoại

đến các thuê bao

- Một đôi sợi hoặctương tự cho mỗithuê bao

- NgắnTrung kế/đường dài Từ đài trạm đến đài

trạm

-Số lượng kênh lớn-Khoảng cách dài

Đài trạmĐài trạmtrạm nhánh Đài trạmtrạm nhánh

đường dài trung kế đường dài trungkế

Đường dây thuê bao

Hình 20.Mạng viễn thông

(2) Sù khác nhau giữa tuyến đường dài và trung kế.

Nói chung, nếu hai đài trạm ở trong cùng một thành phố thì đường kết nốigiữa chúng được gọi là các trung kế, còn nếu ở khác thành phố thì gọi là tuyếnđường dài

Mục đích của việc phân loại này bõy giờ chỉ là thủ tục hành chính Khichỳng

ta nói đến mạng lưới thì không cần phân biệt giữa chúng

(3) Phạm vi thiết kế.

Trường hợp đối với tuyến trung kế/ đường dài, giai đoạn lập kế hoạch cầnphải nghiên cứu loại cáp nào đặt giữa các trạm, dung lượng cáp, hệ thống truyềndẫnv.v…

Sau giai đoạn lập kế hoạch là giai đoạn thiết kế các tuyến cỏp, cỏc điểm hànnối, ống trong cống bể.v.v…

Giai đoạn lập kế hoạchThời điểm bắt đầu

Hệ thống truyền dẫn tổng đài Tổng đài Tổng đài Tổng đài

Giai đoạn thiết kế

Hình 21

1.2 CÁC LOẠI CÁP VÀ CẤU TRÚC CÁP

(1) Các đặc trưng của truyền dẫn của cáp:

Bảng 3 cho ta các đặc điểm truyền dẫn quang của sợi GI và SM

Bảng 3 - Các đặc trưng truyền dẫn của cáp sợi quang loại SM và GI

-Bõy giê chủ yếu sử dụng loại sợi SM

Sợi GI chỉ được sử dụng để bảo dưỡng

(2) Các loại cáp

Sự khác nhau của các loại cáp sợi quang SM được cho trên bảng 4

Bảng 4 Cáp sợi quang loại SM

Loại Số lượng sợiquang Số lượng khe hởmột phần tư ỉng dôngCáp WB (không thấm

nước –Water

Blocking) 8,16,24,32,40

60,80,100,160200,300

Chim và động vậttrên khôngCáp CR

(Selt-supporting-tự

tăng cường)

Cáp trên không

Chó ý: F-6M tức là Fiber (sợi) 6 M bit trong mỗi giây

Bõy giê chúng ta sẽ nghiên cứu một vài loại của chúng

40 Km Do vậy hầu hết các trạm lặp có thể đặt được ở các tổng đài điện thoại vớikhoảng cách trạm lặp cho phép, vấn đề xây dựng và bảo dưỡng hệ thống này thuậnlợi hơn so với các hệ thống trước đây với việc đạt các trạm lặp không có ngườiphục vụ Hệ thống này xuất hiện và trở thành sản phẩm thương mại rộng rãi vàonăm 1983.

(a) Khái quát hệ thống

Khái quát chung hệ thống được trình bày trong bảng 7