đồ án kỹ thuật viễn thông Công nghệ thông tin sợi quang & SDH công nghệ thông tin sợi quang & SDH

Để dễ dàng nhận thấy quá trình tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫnquang, ta xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ sốchiết suất phân bậc vì kích thướ

LỜI NÓI ĐẦU

Chóng ta đang bước vào thế kỷ 21 - kỷ nguyên của xã hội thông tin ở

đó, vai trò của thông tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thànhcông của mỗi ngành, mỗi quốc gia Công nghệ điện tử - viễn thông ngày naycàng có vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và phục vụđời sống của con ngwời Cùng với sự phát triển của các ngành khoa họckhác, công nghệ điện tử - viễn thông đang có sự phát triển vượt bậc, nó thực

sự là một mũi nhọn quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đạihoá đất nước Trong công nghệ điện tử - viễn thông kỹ thuật thông tin cápsợi quang là lĩnh vực còn mới mẻ nhưng đã kết hợp được những thành tựukhoa học và công nghệ tiên tiến trên thế giới Hiện nay kỹ thuật thông tin cápsợi quang đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới

Kỹ thuật thông tin cáp sợi quang có thể tạo ra hệ thống truyền dẫn đakênh đồng thời từ lĩnh vực chuyển mạch điện tử chuyển sang chuyển mạchquang Kỹ thuật truyền dẫn SDH có rất nhiều ưu thế so với kỹ thuật PDH trư-

ớc đó Đó là quá trình ghép kênh đơn giản, linh hoạt và giảm được đáng kể ượng thiết bị trên -mạng Kỹ thuật SDH cung cấp các giao diện tốc độ lớncho các dịch vụ trong tương lai đồng thời vẫn hoàn toàn tương thích với mọigiao diện PDH đang tồn tại SDH tạo ra các khả năng quản lý tập trung thốngnhất làm thay đổi hoàn toàn quan niệm về hệ thống trưóc đó

l-Đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Thái Vĩnh Hiển cùng với sự

cố gắng của bản thân trong quá trình thực hiện nên đồ án của em đã đượchoàn thành

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong trường đã giúp đỡ

em hoàn thành công việc của mình

Vì thời gian có hạn chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót Vậy

em mong được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy, cô và các bạn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2003

Sinh viên Nguyễn Thế Mạnh

1.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang

Hệ thống thông tin quang là hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Tínhiệu thông tin được chuyển thành ánh sáng và ánh sáng được truyền qua sợi quang.Tại nơi nhận, ánh sáng được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu

T/h vào T/h ra

NTH SQ NTH

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang

- NTH: Nguồn tín hiệu bao gồm tiếng, nói, hình ảnh, số liệu, văn bản

- PĐT: Phần đIện tử: là nơI xử lý nguồn tin tạo ra các tín hiệu điện đưa vàocác hệ thống truyền dẫn

- E/O: Bộ biến đổi điện quang gọi là nguồn quang có nhiệm vụ phát ra ánhsáng có công suất tỉ lệ với dòng điện chạy qua nã

- SQ: Sợi quang để truyền ánh sáng nhìn thấu được và tia hồng ngoại

- O/E:Bộ biến đổi quang điện gọi là linh kiện tách sóng quang (thu quang) lànơi tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tín hiệu điện

nh khi phát

Chất lượng của các linh kiện biến đổi quang - điện, điện - quang và chấtlượng sợi quang quyết định cự ly, dung lượng cũng nh chất lượng của toàn tuyếntruyền dẫn quang

Quá trình chuyển tiếp tín hiệu do bị suy hao nên phải có các trạm lắp, nănglực truyền dẫn của hệ thống thông tin quang là truyền dẫn ở dải tần rất rộng vàkhoảng cách trạm lặp rất lớn: Tham sè quan trọng nhất của cáp sợi quang

2

E/O O/E

O/E E/O

P§T P§T

quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quanh theo bước sóng Đặc tuyếnsuy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại 3 vùng mà tại đó có suy haothấp nhất là các vùng có bước sóng này được gọi là cửa sổ thứ nhất, thứ hai

và thứ ba tương ứng, các hệ thống thông tin quang hiện nay chủ yếu hoạt động ởcửa sổ thứ hai và ba vì suy hao ở các cửa sổ này rất nhỏ

Chương 2

Sợi quang

2.1 Nguyên lý phản xạ.

2.1.1 Chiết suất của môi trường.

Chiết suất của một môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vậntốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường Êy

n: chiết suất của môi trườngc: vận tốc ánh sáng trong chân không

v: vận tốc ánh sáng trong môi trường

Vì v  c nên n  1

Chiết suất của không khí n=1,00029

Chiết suất của nước n=1,333

Chiết suất của thuỷ tinh n=1,48

3

n = c/v

2.1.2 Nguyên lý phản xạ toàn phần.

Nguyên lý cơ bản của truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toànphần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường, khi đó tia sáng đi từ môitrường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn

P P

(1) 

Theo định luật khúc xạ Snell ta có:

n1 sin = n2 sin (1)Khi góc  = T tức là tia tới (1) dịch tới vị trí (2) lúc này tia khúc xạ không đivào môi trường 2 nữa mà đi song song với giải phân cách giữa 2 môi trường do đógóc khúc xạ:  = T = 900

Theo (1) thì ta có:

SinT = n2 / n1 (vì sin = Sin 900 =1)Khi cho tia tới đến góc tới  > T thì tia sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách trởlại môi trường 1, gọi góc T là góc tới hạn Độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào

độ lệch chiết suất của hai môi trường

Điều kiện để có phản xạ toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n1) sang môi trườngkém chiết quang hơn (n2)

- Góc tới lớn hơn góc tới hạn

2.1.3 Truyền ánh sáng trong sợi quang.

4

Để dễ dàng nhận thấy quá trình tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫnquang, ta xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ sốchiết suất phân bậc vì kích thước lõi của sợi này lớn hơn nhiều so với bước sóngánh sáng mà ta xét Để đơn giản ta chỉ xét một tia sáng đặc trưng thuộc về loại tiatương hợp thể hiện là mode sợi.

Có hai loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là:

 Các tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi cóhai loại tia kinh tuyến là:

- Tia biên là tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lõi sợi

- Tia ngoài biên là tia khúc xạ ra ngoài lõi sợi

 Các tia nghiêng có số lượng nhiều gấp bội tia kinh tuyến nó không xác địnhmột mặt phẳng đơn thuần nào, các tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọctheo sợi Các tia này có đường đi dài hơn và thường bị suy hao lớn hơn

Nhìn chung việc đi vào phân tích loại tia nghiêng là không cần thiết vì nókhông phản ánh về các tia lan truyền trong sợi Vì vậy chỉ xem xét các tia kinhtuyến mới có ý nghĩa cho mục đích này

Tuy nhiên các tia nghiêng cũng góp phần vào kết luận quá trình tiếp nhận cáctia sáng và suy hao tín hiệu của sợi dẫn quang

Các tia kinh tuyến được thể hiện trong hình dưới là xét cho loại sợi đa mode chỉ

số chiết suất phân bậc

Hình 2.2 Tia kinh tuyến biểu hiện quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng

trong sợi đa mode chiết suất phân bậc

Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trường có chiết suất n và hợp vớitrục sợi một góc o Các tia này đập vào ranh giới vỏ và lõi dưới một góc  vớipháp tuyến của ranh giới Nếu góc  lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản

xạ toàn phần thì tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich rắc dọc theo lõi sợi và đi quatrục của sợi sau mỗi lần phản xạ

Theo định luật Snell thì góc min tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xácđịnh:

Sin min = n2/n1 (1)

Nh vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới hai môi trường với góc nhỏ hơn

5

min sẽ bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ

Điều kiện của phương trình (1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận)

lớn nhất omax theo phương trình

Với  là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ

Sợi chiết suất phân bậc trong thực tế n1=1,48

N2 thường chọn  vào khoảng 0,01

Các giá trị nằm trong khoảng 13% đối với sợi đa mode

0,21% đối với sợi đơn mode

Vế phải của phương trình là giá trị cho các trường hợp và <1 Vì khẩu độ số

có liên quan đến góc vào lớn nhất cho nên nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sangư vàkhả năng tập trung các tia sáng của sợi vì thế mà cho phép ta tính toán được hiệuquả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang Giá trị của khẩu độ số luônnhỏ hơn 1 đơn vị và nằm trong dải 0,140,5

Bảng kích thước sợi và khẩu độ tương ứng

Đường kính lõi sợi

0,19  0,250,27  0,310,25  0,300,25  0,30

2.2 Phân bố chiết suất trong sợi quang.

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

Đây là sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khácnhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng đi từ nguồn quang phóng

6

(3) (2)

vào đầu sợi với các góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau.

n

Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi (SI)

Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc (vì V = C/n1, n1= Const)khi đó chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng chiều dài sợi quang Điều này dẫn đến một hiện tượng: Khi đưa một xung ánhsáng vào đầu sợi lại nhận được xung ánh sáng rộng hơn ở đầu cuối Đây là hiệntượng tán sắc (dispersion)

Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ caoqua cù ly dài được Nhược điểm này có thể được khắc phục trong loại sợi có chiếtsuất giảm dần

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

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol

Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI không bằng nhau, các tia truyền

xa trục có đường truyền dài hơn, vận tốc truyền lớn hơn các tia truyền gần trục.Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất và đi với vận tốc nhỏ nhất vìchiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất thì đường

đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau.

Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

2.2.3 Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode:

n

Hình 2.5 Sù lan truyền ánh sáng trong sợi SI - SM

Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đườngtruyền bằng không và sợi đơn mốt có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc ở bướcsóng  = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( 0) do đó dải thông củasợi đơn mốt rất rộng Hiện nay sợi đơn mode đang dược dùng phổ biến

2.2.4 Sù lan truyền của các mode trong sợi quang

Mét mode là một trạng thái dao động điện từ Các mốt của sóng điện từ cóthể chia ra: Mode lõi với tổn hao thấp, mode vỏ với tổn hao cao, các mode rò cóđặc tính của cả hai loại mode trên Khi đưa ánh sáng vào sợi quang, năng lượngphần lớn tập trung trong ruột sợi, phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra các mode rò vàmode vỏ bị dập tắt ngay Người ta chỉ quan tâm tới các modes được truyền dẫntrong ruột sợi

Đặc tính của các mode lan truyền :

- Mỗi mét mode có một sự phân bố cường độ điện trường đặc trưng trênmặt cắt ngang của sợi quang và không đổi dọc theo trục của sợi khi lantruyền

- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

- Mỗi mét mode có tốc độ lan truyền riêng

- Mỗi mode tồn tại một bước sóng nhất định của nguồn sáng: <G (G làbước sóng giới hạn)

2.3 Sợi quang đa mode và đơn mode

2.3.1 Đặc điểm

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

có đường kính ruột dk khá lớn còn sợi đơn mode thì dk rất nhỏ Nếu hiểu mode làcác tia sáng thành phần được truyền dẫn theo các đường đó khác nhau, còn trongsợi dơn mode chỉ có một mode là tia chạy song song với trục của sợi Nếu cho vào

8

n1n2r

đầu sợi một xung rất hẹp thì ở đầu ra sợi đa mode và đơn mode nhận được cácxung bị biến dạng khác nhau.

Theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi thì người ta chia ra sợi cóchiết suất bậc SI (Step Index) và sợi có chiết suất biến thiên GP (Graded Index)

Trong sợi SI chiết suất n1 không thay đổi và vì n1>n2 nên tại mặt phân cách

vỏ ruột chiết suất có bước nhảy

Trong sợi GI chiết suất n1 của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảmdần cho đến mặt phân cách vỏ ruột thì bằng giá trị n2 của vỏ

Sợi đơn mode được gọi là sợi SI

2.3.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại nhưng chủ yếu phân theo phương thức truyền dẫntrong sợi:

- Sợi đa mode : MM (MultiModes)

- Sợi đơn mode: SM (Single Mode)

Mode là phương thức truyền sóng trong sợi quang Khi ánh sáng đi vào sợiquang bằng nhiều tia và độc lập nhau Sợi quang truyền được nhiều tia gọi là MM,nếu chỉ truyền được một tia gọi là SM

n

Hình 2.6 Biểu diễn triết suất bậc SI-MM trong sợi đa mode.

2.3.3 Các loại sợi quang

a Sợi đa mode

Có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số v và số mode cũng lớn.Các thông số

Sợi SI (Index Step) Sợi GI (GradedIndex)

Hình2.7 Các loại sợi quang

b Sợi đơn mode

Khi giảm kích thước lõi sợi chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trongsợi thì gọi là đơn mode

Chiết suất n2 chiết suất n1

Hình2.8 Sợi đơn mode

2.4 Tiêu hao truyền dẫn trong sợi quang.

Khi ánh sáng lan truyến trong sợi quang công suất bị suy giảm ánh sáng bịtổn hao

Hệ sè suy hao:

a = -10lg P 2 /P 1 [dB] (*)

P1: công suất ánh sáng đầu sợi quang

P2: công suất ánh sáng cuối sợi quang Trong quá trình truyền sóng thì công suất ánh sáng bị suy hao dọc theo chiềudài của sợi quang theo mét qui luật hàm số mũ

PL = P1.10-L/10 (**)

10

PL: công suất giảm theo chiều dài

: suy hao trên 1 km sợi gọi là suy hao riêngL: chiều dài sợi quang

Từ công thức (*) (**) ta có

a[dB]

 = L[km]

Hình 2 9 Sù suy giảm công suất quang trong sợi quang đồng nhất

Tiêu hao riêng của sợi quang là đại lượng phụ thuộc bước sóng công tác.Nguyên nhân của tổn hao quang trong quá trình truyền dẫn trong sợi là:

2.4.1 Suy hao do hấp thụ.

 Sự hấp thụ của tạp chất kim loại

Trong thuỷ tinh thông thường các tạp chất kim loại là một trong những nguồnhấp thụ năng lượng ánh sáng đó là các ion sắt, Đồng, Mangan (Mn), Crom (Cr),coban (Co)

Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tập chất và bướcsóng ánh sáng truyền qua nã

Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thậttinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

 Sự hấp thụ của ion OH

Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụđáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và1400nm

Vậy độ Èm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang.Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mứcdưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nó

Thuỷ tinh được chế tạo có độ tinh khiết cao nhưng sự hấp thụ ánh sáng trongvùng cực tím và hộng ngoại Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại chokhuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang.

2.4.2 Suy hao do tán xạ.

 Tán xạ Rayleigh: xuất hiện do ảnh hưởng của các chỗ không đồng nhất còn sótlại trong giai đoạn làm nguội sợi trong quá trình nấu chảy thuỷ tinh để kéothành sơị ảnh hưởng của nó phụ thuộc vạo công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạosợi

Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bướcsóng thì chúng trở thành những nguồn điểm dễ tán xạ Các tia sáng truyền quanhững chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng Chỉ một phần nănglượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướngkhác thậm chí truyền ngược về phía nguồn quáng

Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóngtheo công thức:

tx () =  tx (o)( o /) 4

với tx (o): hệ số tán xạ tại bước sóng mầu o xác định theo vật liệu Đối vớithuỷ tinh thạch anh thì có

o = 1àm tx (o)  0,8dB/km

Ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Reyleigh của sợi silica khoảng 12 dB/

km và bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3dB/km ở bước sóng 1550nmsuy hao còn thấp hơn nữa

Lưu ý: Tán xạ Reyleigh là một nguyên nhân gây suy hao cho sợi quang

nhưng hiện tượng này lại đựoc ứng dụng để đo lường trong các máy đo quang dội

 Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: Khi tia sángtruyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ.Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau.Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suyhao dần

2.4.3 Suy hao do sợi bị uốn cong.

 Vi uốn cong sợi quang bị chèn Ðp tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy haocủa sợi cũng tăng lên sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi điqua những chỗ vi uốn cong đó Một cách chính xác hơn sự phân bố trường bịxáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra

12

khỏi lõi sợi.

Đặc tuyến suy hao : Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo loại sợi.

Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode

Popt [dB/Km]

Hình 2.10 Đặc tuyến suy hao của sợi quang

Đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp gọi là

3 cửa sổ suy hao

- Cửa sổ thứ nhất ở bước sóng 850nm: là bươc sóng có suy hao thấp nhấtđối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu Suy hao trungbình ở bước sóng này từ 2  3 dB/km  hiện nay không dùng

- Cửa sổ thứ hai ở bước sóng 1300nm: suy hao ở bước sóng này tương đốithấp khoảng 0,3  0,5 dB/km, ở bước sóng nàyđộ tán sắc rất tương đốithấp nên được sử dụng rộng rãi hiện nay và được dùng cho cù ly gần

- Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước sóngnày là thấp nhất có thể dưới 0,2dB/km Trong những sợi quang bìnhthường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với bước sóng1300nm Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thểgiảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ

có được cả hai ưu điểm là suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bước sóng

13

nm

4

0,40,25

850 1300 1500 1500 

1500nm được sử dụng rộng rói trong tương lai nhất là trong cỏc tuyếnquang thả biển.

2.5 Tỏn sắc trong sợi quang.

Khi cỏc xung quang được truyền dẫn trong sợi quang thỡ nú bị biến đổi hỡnhdạng và độ rộng xung tăng do đố chỳng bị gối lờn cỏc xung bờn cạnh làm hạn chếkhả năng truyền dẫn của sợi quang và làm mộo dạng tớn hiệu Sự biến dạng nàygõy ra bởi đặc tớnh tỏn sắc của sợi quang nú ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngtruyền dẫn cụ thể là:

- Khi truyền tớn hiệu Digital cỏc xung điện bị gión làm mộo tớn hiệu

- Khi truyền tớn hiệu analog thỡ ở đầu thu biờn độ tớn hiệu bị giảm nhỏ và cúhiện tượng dịch pha nờn độ rộng bằng tấn truyền dẫn của sợi quang bị giảm Cỏc nguyờn nhõn gõy tỏn sắc

Sợi quang đa mode cú đầy đủ cỏc thành phần của tỏn sắc

Cũn sợi đơn mode chỉ cú tỏn sắc sắc thể

Với loại sợi đa mode (MM) cú chiết suất nhảy bậc (SI) thời gian truyềnchờnh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất (H1.1.12) được tớnh

n2

14

Tán sắc tổng cộng

Tán sắc sắc thể

Tán sắc ống dẫn sóng

Tán sắc vật liệu

Tán sắc Mode

Sợi đa mod

e

Sợi đơn mode

Tia 1: tia dài nhất có độ dài

Tia 2: tia ngắn nhất có độ dài d2 = L

Thời gian truyền của tia 1

v = c/n1 vận tốc ánh sáng trong lõi sợi

Mà Cos1= Sinc = n2/n1

Nên ta có

Thời gian truyền của tia 2

Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền là:

Trong đó

Thời gian chênh lệch trênmỗi km sợi cũng chính là độ trải xung do tán sắc mode

Tổng quát: Độ tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi

đa mode thông qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất

1

n C Cos

L V

d

t   

2

2 1

L v

2 1 2 1

n

n n n c

L c

Ln cn

Ln t t t

2

2 1

n1[1-  (r/n)g] r  an(r) = n2 a  r  b

2.5.2 Tán sắc sắc thể.

 Tán sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánhsáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gây nên tánsắc chất liệu

Về mặt toán học tán sắc chất liệu được xác định bởi

Trong đó: : bước sóng

c: vận tốc ánh sáng trong chân không

n(): chiết suất của lõi sợi

Về ý nghĩa vật lý: tán sắc chất liệu cho biết mức đọ nới rộng xung của mỗi

nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị của độ tán sắc do chấtliệu M là ps/nm.km

Ở bước sóng 850nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 90  120 ps/nm.km.Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ  = 50nm thì độ nớirộng xung khi truyền qua mỗi km là

Ở bước sóng 1500nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.km

 Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng (Dwg) Sự phân bố năng lượng trong sợiquang phụ thuộc vào bước sóng Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫnsóng

Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ chú ý với sợi đơn mode

Độ tán sắc tổng cộng

16

 

2 2

Với Dchr = Dmat + Dwg Trong đó: Dt: độ tán sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode) Dmod: tán sắc mode (chỉ có trong sợi đa mode) Dchr: độ tán sắc sắc thể (độ tán sắc tổng trong sợi đơn mode) Dmat: độ tán sắc chất liệu Dwg: độ tán sắc ống dẫn sóng Đồ thị tán sắc M [ ps/nm.Km ]

12

8

4

0

1 [nm]

Hình2.13 Tán sắc sắc thể của các loại sợi

1 Sợi G652

2 Sợi dịch tán sắc G653

3 Sợi san bằng tán sắc

2.6 Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang

Tổng quát:

Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang được đặt ở hai đầu sợi quang và

có hai loại:

- Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang (E/O - Electric Optical) được gọi là nguồn quang Linh kiện này có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỉ lệ với dòng điện chạy qua nã

- Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện (O/E - Optical Electric) được gọi là linh kiện thu quang hay còn gọi là linh kiện tách sóng quang Linh kiện này có nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang

Chất lượng các linh kiện này và chất lượng sợi quang quyết định cự ly, dung

17

1600

1550 1400

1300

2 2

lượng, chất lượng của toàn tuyến truyền dẫn.

2.6.1 Các yêu cầu kỹ thuật của linh kiện quang điện:

a) Đối với nguồn quang :

- Bước sóng ánh sáng phát ra: Do độ suy hao của ánh sáng truyền trên sợiquang phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng Có 3 bước sóng thôngdụng là 850,1300 và 1550nm Do vậy ánh sáng do nguồn quang phát racũng phải có bước sóng phù hợp

- Công suất phát: Cự ly thông tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó côngsuất phát của nguồn quang là một yếu tố chính Công suất phát càng lớnthì cự ly thông tin càng xa

- Độ rộng phổ: ánh sáng mà các nguồn quang thực tế phát ra không phảichỉ có bước sóng duy nhất mà gồm một khoảng bước sóng Khoảng bướcsóng này càng rộng thì độ tán sắc chất liệu càng lớn và do đó làm hạn chếgiải thông của tuyến truyền dẫn quang Nh vậy độ rộng phổ của nguồnquang càng hẹp càng tốt

- Góc phóng ánh sáng: Đường kính lõi sợi quang rất nhỏ, nếu kích thướcnguồn quang lớn và góc phóng sóng ánh sáng rộng thì công suất quangvào lõi sợi sẽ rất thấp Do vậy nguồn quang có vùng phát sáng càng hẹpcàng tốt

- Thời gian chuyển: Để truyền được tín hiệu số có tốc độ bít càng cao thìthời gian chuyển trạng thái của nguồn quang càng nhanh càng tốt

- Độ ổn định: Công suất quang mà các nguồn quang thực tế phát ra có phụthuộc vào nhiệt độ môi trường, vào thời gian sử dụng và cường độ ánhsáng xung quanh Để đảm bảo độ trung thực của tin tức thì công suất donguồn quang phát ra phải ổn định

- Thời gian sử dụng lâu, Giá thành hạ

Hình 2.14 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

b) Đối với linh kiện tách sóng quang

- Bước sóng: Nhạy đối với bước sóng hoạt động của hệ thống (850,1300

và 1550nm)

- Độ nhạy: Càng cao càng tốt Tức là có khả năng tách được các tín hiệuquang thật nhỏ với giá trị BER cho phép

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

- Dòng tối nhỏ: Khi chưa có ánh sáng chiếu vào nhưng linh kiện tách sóngquang vẫn có dòng điện nhiễu chạy qua, dòng điện này càng nhỏ càngtốt

Có hai loại linh kiện hiện nay được dùng làm nguồn quang là:

+ Điốt phát quang LED (Light Emitting Diode)

+ Điốt Laser LD (Laser Diode)

Hai linh kiện này đều phát triển từ Diode bán dẫn tức là phát triển từ tiếpgiáp của bán dẫn P và N

Mỗi chất bán dẫn đều có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau Mà Egquyết định bước sóng của ánh sáng phát ra:

Eg - bề rộng khe năng lượng, đơn vị: (eV)

 - tần số ánh sáng phát ra, đơn vị: Hz

 - bước sóng ánh sáng phát ra, đơn vị: µm

Từ công thức trên ta thấy muốn nguồn quang phát ra ánh sáng có bước sóngdài phải dùng bán dẫn có bề rộng khe năng lượng hẹp

3.2 LED

3.2.1 Cấu tạo và phân loại

 LED tiếp xúc mặt GaAs

Đây là loại có cấu trúc đơn gản nhất (hình 3.1) dùng bán dẫn GaAs với nồng độkhác nhau để làm lớp nền loại N và lớp phát sáng loại P Líp P dầy khoảng200m, ở mặt ngoài của lớp P có phủ một lớp chống phản xạ để ghép ánh sángvào sợi quang Bước sóng phát của LED GaAs trong khoảng 880 đến 950nm

Hình 3.1 Cấu trúc LED tiếp xúc mặt

 LED Burrus

LED Burrus được chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Heterostructure) bao gồmcác lớp bán dẫn N và P với bề dày và nồng độ khác nhau (hình 3.2) Vùng phátsáng của LED Burrus tương đối hẹp, bề mặt có khoét lỗ để đưa sợi quang vàogần vùng phát sáng

Bước sóng của LED Burrus dùng bán dẫn AlGaAs/GaAs nh (hình I.2.5) trongkhoảng 800 đến 850nm Nếu dùng bán dẫn InGaAsP/InP thì bước sóng phát radài hơn

20

TiÕp xóc N Líp N - - GaAs (líp nÒn) Vïng ph¸t s¸ng

Líp N - GaAs Líp P - AlGaAs (líp tÝc cùc) Líp P + - AlGaAs

Líp c¸ch ®iÖn AL

2 O 3 Líp tiÕp xóc P (® êng kÝnh nhá)

Líp chèng ph¶n x¹ Líp tiÕp xóc P Líp c¸ch ®iÖn (AL

2 O

3 )

Líp N-GaAs(nÒn)

TiÕp xóc N Líp P-GaAs (khuÕch t¸n)

Hình 3.2 Cấu trúc LED Burrus

 LED phát bước sóng dài

Một loại LED phát sóng dài (1300 và 1550nm) dùng bán dẫn InGaAsP/InP cócấu tạo nh trên (hình 3.3) Tương tự nh LED Burrus, loại này cũng có cấu trúcnhiều lớp (Heterostructure) và có đường kính vạch tiếp xúc P nhá (25 đến30m) nên có vùng phát sáng hẹp Điểm khác biệt so với LED Burrus là thay vìkhoét lỗ để ghép ánh sáng vào sợi quang, ở đây dùng lớp nền InP có dạng mộtthấu kính để ghép ánh sáng vào sợi quang

Hình 3.3 LED phát xạ bước sóng dài

 LED phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emitting Diode)

LED phát xạ rìa có cấu tạo khác với các LED thông thường (hình 3.4) Các điệncực tiếp xúc băng kim loại phủ kín mặt trên và đáy của ELED Do đó ánh sángkhông thể phát ra phía hai mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạchhẹp Lớp tích cực rất mỏng, bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai líp P và

N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc như vậy tương tự cấu trúc của sợi quang,trong đó lớp tích cực có chiết suất lớn tương đương với lõi còn hai líp P và N cóchiết suất nhỏ hơn tương đương với lớp bọc (cladding) hay tương đương vớimột ống dẫn sóng (Waveguide) ánh sáng phát ra ở cả 2 đầu ống dẫn sóng này,một trong hai đầu được nối với sợi quang

Cấu trúc này có ưu điểm vùng phát sáng hẹp và góc phát sáng nhỏ nên hiệu suấtghép ánh sáng vào sợi quang cao Tuy nhiên khi hoạt động nhiệt độ ELED tăngkhá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt

21

Líp chèng ph¶n x¹ TiÕp xóc N Líp N-InP (líp nÒn) Vïng ph¸t s¸ng Líp P-InGaAsP Líp P +

-InP Líp P + -InGaAsP Líp c¸ch ®iÖn Al

2 O 3 Líp to¶ nhiÖt TiÕp xóc P ( 25 30m)

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ THÔNG TIN SỢI QUANG & SDH

Hình 3.4 LED phát xạ rìa (ELED)

Cấu tróc LED càng phức tạp thì công suất phát càng cao và giá thành càngtăng, góc phát sáng càng hẹp thì thời gian chuyển càng nhanh

3.2.2 Đặc tính kỹ thuật.

Các đặc tính kỹ thuật của LED phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chúng.Ngoài ra, theo đà phát triển của công nghệ bán dẫn, chất lượng của LED ngày càngđược nâng cao hơn ở đây chỉ giới thiệu những đặc tính kỹ thuật chung của LED

 Thông số điện

- Dòng điện hoạt động tiêu biểu: từ 50mA đến 300mA

- Điện áp sụt trên LED: từ 1,5V đến 2,5V

 Công suất quang phát

Là công suất tổng cộng mà nguồn quang phát ra chứ không phải là công suấtđưa được vào lõi sợi quang

Công suất phát của LED từ 1 đến 3mW Đối với loại phát sáng cao Radiance) công suất phát có thể lên đến 10mW

(High-Các LED phát xạ mặt có công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa với cùngdòng điện kích thích (H 3.5) Nhưng điều đó không có nghĩa sợi quang nhận đượccông suất quang từ LED phát xạ mặt cao hơn so với LED phát xạ rìa

Hình 3.5 Công suất phát của LED và ELED

 Góc phát quang

22

P(mW) 10

Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát quang vàgiảm dần theo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suấtquang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại LED phát xạ mặt có góc phátquang lớn hơn so với LED phát xạ rìa (H 3.6)

23

Hình 3.6 Góc phát quang của LED và ELED

 Hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quangvới công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang

Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang, góc phát quang củanguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang và sợi quang(H3.7)

Hình 3.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghép

Hiệu suất ghép của LED phát xạ mặt trong khoảng 1  5% và LED phát xạrìa trong khoảng 5  15% Từ đó, tuy công suất phát của LED phát xạ mặt lớn hơnnhưng công suất đưa vào sợi quang của LED phát xạ rìa lại lớn hơn (thường lớnhơn khoảng hai lần)

 Độ rộng phổ

Nguồn quang phát ra công suát cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần vềhai phía Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang khôngnhỏ hơn phân nửa mức công suất đỉnh (H 3.8)

0.5

0

90 0 45 0 0 0 45 0 90 0 0 gãc ph¸t

30

0

120 0

Ph¸t x¹ mÆt (Surtace Emiter) Ph¸t x¹ r×a (Edge Emiter)

Hình 3.8 Độ rộng phổ của LED

Thông thường LED có độ rộng phổ trong khoảng 35  100mm

 Thời gian chuyển lên (Rise time)

Là khoảng thời gian để công suất ra tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổnđịnh khi có xung dùng điện kích thích nguồn quang

Thời gian chuyển của nguồn quang có ảnh hưởng đối với tốc độ bit của tín hiệuđiều chế Muốn điều chế ở tốc độ càng cao thì nguồn quang phải có thời gianchuyển càng nhanh Dải thông tối đa của tín hiệu điều chế phụ thuộc vào thờigian chuyển theo công thức gần đúng:

B = 0,35/tTrong đó: B: Dải thông của tín hiệu điều chế, đơn vị Mhz

t: thời gian chuyển của nguồn quang, đơn vị sThời gian chuyền của LED trong khoảng:

- 5  50 ns: đối với LED phát xạ thấp

- 2  20 ns: đối với LED phát xạ cao

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát của LED giảm Tuy nhiênmức độ ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED không cao:

Mạch phát quang dùng LED đơn giản nhất nh trên (H 3.9)

Hình 3.9 Mạch phát quang đơn giản nhất

Khi có tín hiệu điều chế (dạng analog hoặc digital) đưa vào cực nền củatransistor Q dòng điện quang LED thay đổi theo tín hiệu điều chế và do đó cường

độ ánh sáng do LED phát ra còng thay đổi theo tín hiệu điều chế

Một mạch phát quang dùng LED có đáp ứng nhanh và công suất lớn nhưtrên (H 3.9) Trong đó Q1 làm nhiệm vụ khuếch đại và phối hợp trở kháng Q2 và Q3

được mắc song song để tăng dòng kích thích LED

3.3 LASER

3.3.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động.

Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý phát xạ kích thích Cấu tạo của nógần gũi với cấu tạo của LED phát xạ rìa (ELED) Điểm khác biệt cơ bản là trongLaser có hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên một hốc cộng hưởng quang(H 2.10) Phần ánh sáng phát ra theo chiều dọc của hốc cộng hưởng sẽ bị phản xạqua lại giữa hai mặt phản xạ Trong quá trình di chuyển theo chiều dọc của hốc ánhsáng kích thích các điện tử kết hợp với lỗ trống để phóng ra các photon mới Phầnánh sáng thoát ra theo các phương khác bị thất thoát dần Nh vậy chỉ có phần ánhsáng phát ra theo chiều dọc mới được khuếch đại

Mặt sau của Laser được phủ một lớp phản xạ còn mặt trước được cắt nhẵn

để một phần ánh sáng phản xạ chiếu ra ngoài

26

B¸n dÉn lo¹i P Líp tÝch cùc B¸n dÉn lo¹i N MÆt ph¶n x¹

¸nh s¸ng ra

Hình 3.10 Nguyên lý cấu tạo LASER bán dẫn

Nhằm tăng hiệu quả phát xạ, các Laser thực tế có cấu trúc phức tạp hơn.Chẳng hạn loại Laser có cấu trúc nhiều lớp chôn, còn gọi là Laser BH (BuriedHeterostructure), có cấu tạo như trên Hình 3.11 Vùng phát sáng của Laser BH rấthẹp (2m  0,2m) nên hiệu suất ghép ánh sáng vào lõi sợi quang rất cao

Hình 3.11 Cấu trúc LASER BH (Buried Heterostructure)

3.3.2 Đặc tính kỹ thuật

 Thông số điện

- Dòng điện ngưỡng: Khi dòng điện kích thích cho Laser có trị số nhỏ, Laserhoạt động ở chế độ phát xạ tự phát nên công suất quang rất thấp Khi đượckích thích với dòng điện lớn, Laser phát xạ ở chế độ kích thích công suấtquang tăng nhanh theo dòng kích thích (Hình 3.12)

Hình 3.12 Đặc tuyến phát quang của LED và LASER

Dòng điện ngưỡng của Laser thay đổi theo nhiệt độ Đối với những Laserđời cũ, dòng điện ngưỡng có giá trị từ 50mA đến 100mA Đối với những Laser đờimới dòng ngưỡng chỉ trong khoảng 10mA đến 20mA

- Dòng điện kích thích: từ vài chục đến vài trăm mA tùy theo loại

- Điện áp sụt trên Laser: từ 1,5V đến 2,5V

 Công suất phát

Công suất phát của Laser từ 1 đến 10mW, đối với những Laser đời mới có thểlên đến 50mW hay hơn nữa

 Góc phát sáng

Góc phát sáng của Laser theo phương ngang của lớp tích cực chỉ trong khoảng

từ 5o  10o, còn theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lênđến 40o Nh vậy mặt bao của góc phát không phải là mặt nón tròn xoay mà làmặt nón có đáy hình ellip

 Hiệu suất ghép

LASER có vùng phát sáng nhỏ và góc phát sáng hẹp nên hiệu suất ghép ánhsáng vào sợi quang cao

Trung bình hiệu suất ghép của LASER trong khoảng

- 30%  50%: đối với sợi đơn mode (SM)

- 60%  90%: đối với sợi đa mode (MM)

Hiệu suất ghép của LED và LASER thay đổi theo khẩu độ số (NA) của sợiquang như trên (Hình 3.13)

28

Hình3.13 Hiệu suất ghép của nguồn quang

Để tăng hiệu suất ghép, người ta có thể tạo thêm các chi tiết phụ giữa nguồnquang và sợi quang như đặt thêm thấu kính giữa nguồn quang và sợi quang, tạođầu sợi quang có dạng mặt cầu,

 Độ rộng phổ

Dạng phổ phát xạ của LASER là tổng hợp đặc tuyến khuyếch đại (do bề rộngkhe năng lượng thay đổi) và đặc tuyến chọn lọc của hốc cộng hưởng (phụ thuộcchiều dài hốc) nh trên(Hình 3.14)

So với LED thì phổ phát xạ của LASER rất hẹp, trong khoảng từ 1 đến 4nm.Dạng phổ nh trên H.I.2.18b gồm nhiều vạch rời rạc nên được gọi là phổ củaLASER đa mode

Người ta có khuynh hướng chế tạo LASER có phổ ngày càng hẹp để giảm tánsắc chất liệu khi sử dụng bước sóng 1550nm, và trong tương lai có thể sử dụngrộng rãi kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM)

29

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 3 6 9 12 15 18

100 50 20 10 5 0

HiÖu suÊt ghÐp( )

LASER

ELED

LED

Suy hao ghÐp(LdB)

NA

Có thể tạo ra LASER có phổ rất hẹp được gọi là Laser đơn tần theo ba hướng(Hình 3.15).

- Laser hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback): trong loại này mộtchuỗi gợn sóng trên lớp bán dẫn làm nền (thay thế cho các mặt phản xạ ởhai đầu) chỉ phản xạ những bước sóng nhất định vào trong Laser và do đógần như chỉ một bước sóng cộng hưởng được khuyếch đại Phổ của LaserDFB rất hẹp chỉ vào khoảng 0,1nm đến 0,2nm

- Laser hốc ghép C - cubed or C3 (Cleaved-Coupled-Cavity): Hai chip Laserrời được ghép quang với nhau nhưng cách ly về điện để đạt được sự giớihạn bước sóng phát

- Laser hốc ngoài (External Cavity): là loại Laser có mặt phản xạ bên ngoàithay vì tráng mặt phản xạ trong Laser thông thường

30



Vïng dÉn Khe n¨ng l îng Vïng ho¸ trÞ

b) D¹ng thùc tÕ

Hình 3.15 Nguyên lý cấu tạo Laser đơn tần (Single-Frequency Laser)

a Laser DFB (Distributed Feedback)

b Phổ của Laser DFB

c Laser C3 (Cleaved-Coupled-Civity)

d Laser External Cavity

 Thời gian chuyển lên

Thời gian để công suất quang tăng từ 10% đến 90% mức công suất xác lập củaLaser rất nhanh, thông thường không quá 1ns

 Ảnh hưởng nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngưỡng của Laser thay đổi (H.3 16) và do đócông suất quang phát ra còng thay đổi Khi nhiệt độ tăng thì dòng ngưỡng cũngtăng (đặc tuyến dịch về phía phải) Nếu nhiệt độ tăng cao thì dòng ngưỡng tăngtheo dạng hàm mũ của sự gia tăng nhiệt độ (T) đồng thời độ dốc của đặc tuyếncũng giảm

Trung bình, độ gia tăng dòng ngưỡng theo nhiệt độ vào khoảng +1%/oC

Ngoài ra khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng phát cũng thay đổi, nhưng mức độảnh hưởng rất thấp

a)

G ¬ng ph¶n x¹

d)

Laser thường được chế tạo dưới dạng module Module Laser bao gồm Laser vàcác thành phần phụ khác như bộ phận thăm dò công suất phát tạo thành mạchhồi tiếp để điều chỉnh dòng kích thích, nhiệt độ

Sơ đồ khối tổng quát của một mạch phát quang dùng Laser như trên (Hình3.16) Trong đó

- Giao tiếp điện: là các điện cực để nối với mạch điện bên ngoài, nơi nhậntín hiệu điện

- Giao tiếp quang: nơi tiếp xúc giữa module Laser và sợi quang Giữanguồn quang và sợi quang có thể đặt thêm một thấu kính để tăng hiệusuất ghép quang

- Mạch kích thích: Mạch điện cung cấp dòng điện kích thích cho nguồnquang Mức độ phức tạp của mạch phụ thuộc các yêu cầu của máy phátquang

- Mạch xử lý tín hiệu điện: biến đổi tín hiệu điện sang dạng thích hợp đểđưa vào mạch kích thích

- Mạch thăm dò quang: có tác dụng thu một phần tín hiệu quang đổi radạng điện hồi tiếp về mạch kích thích nhằm giữ cho công suất quangphát ra ổn định Photo diode trong mạch thăm dò

quang thường nhận ánh sáng phát ra từ phía sau của Laser

- Mạch thăm dò và điều khiển nhiệt độ: có tác dụng ổn định nhiệt độ cho Laser

32

Hình 3.16 Sơ đồ tổng quát của máy phát quang

33

Giao tiÕp

®iÖn Xö lý ®iÖn

M¹ch kÝch thÝch

Gi¶i nhiÖt

Th¨m dß

Nguån quang

Th¨m dß nhiÖt

Sîi quang

- PIN: loại diode thu quang gồm ba lớp bán dẫn P, I và N Trong đó P và N làhai lớp bán dẫn có pha tạp chất còn I (Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạpchất hoặc pha với nồng độ rất thấp.

- APD (Avalanche Photo Diode): loại dicde thu quang hoạt động trong chế độthác lũ

Ngoài ra còn có transistor quang (Phototransistor) cũng có khả năng biến đổitín hiệu quang sang tín hiệu điện nhưng có thời gian đáp ứng chậm nên Ýt được sửdụng Nếu có cũng chỉ xuất hiện trong các hệ thống có cự ly ngắn và tốc độ chậm.Các linh kiện tách sóng quang hoạt động theo nguyên tắc của một tiếp giáp

PN phân cực ngược Quá trình tạo ra các hạt dẫn điện do các photon kích thíchđược minh hoạ trên (H 4.1)

Hình 4.1 Nguyên lý tạo điện tử và lỗ trống của tiếp giáp PN

phân cực ngược

Sự hình thành các vùng khuyếch tán điện tử và lỗ trống của tiếp giáp PN khiphân cực ngược như trên H 3.1 Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, năng lượngphoton (hv) truyền cho các điện tử đạt đến m77ức năng lượng dẫn (Ec) thì chúngtrở thành điện tử tự do và đồng thời để lại một lỗ trống

Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài (phân cực ngược) điện tử là hạt tảiđiện thiểu số bên P chuyển qua líp N và các lỗ trống là hạt tải điện thiểu số bên Nchuyển qua líp P tạo thành dòng quang điện trên mạch ngoài Số lượng của các hạttải điện được tạo ra phụ thuộc vào năng lượng mà các photon cung cấp nên quyluật biến thiên của dòng quang điện do cường độ ánh sáng kích thích quyết định.

4.2 Diode thu quang PIN.

Cấu tạo của diode PIN gồm ba lớp bán dẫn P-I-N, trong đó lớp I (Intrinsic)

là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp (Hình 4.2) Quátrình hấp thụ photon để tách ra các điện tử và lỗ trống xảy ra trong líp I Do đó lớp

I càng dày thì hiệu suất lượng 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 cao của PIN

Bề dày lớp 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

Hình 4.2 Cấu tạo Diode thu quang PIN

4.3 Diode thu quang APD (Avalanche Photo Diode)

Ứng dụng hiệu ứng nhân điện tử trong bán dẫn, người ta chế tạo APD gồm4lớp P+ P- PN- (Hình 4.3a) Trong đó P+ và N- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạpchất cao còn P- là lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất thấp (thay vị trí lớp I của PIN)

35

P I N

TiÕp xóc (kim lo¹i

¸nh s¸ng

Líp chèng ph¶n x¹ Vßng tiÕp xóc kim lo¹i C¸ch ®iÖn(SiO

2

Hình 4.3 Diode APD

a) Cấu tạob) Phân bố điện trườngc) Quá trình nhân điện tửDưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trườngtrong các lớp bán dẫn như trên (Hình 4.3b) Trong đó điện trường trong vùng tiếpgiáp PN- cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùng này Vùng này cònđược gọi là vùng “thác lũ”

Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong líp P- và tạo ra cáccặp điện tử - lỗ trống Lỗ trống di chuyển về phía lớp 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 Điện tử va chạm vào các nguyên tử của tinh thể bándẫn tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới (gọi là sự 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 trìnhtiếp diễn và số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn (Hình 4.3c)

4.4 PIN – FET.

Ưu nhược điểm của hai loại linh kiện tách sóng quang PIN và APD tráingược nhau không giống như hai loại nguồn quang LED và LASER Đặc tính kỹthuật của LASER tốt hơn LED về nhiễu mặt trong khi APD chỉ hơn PIN về độnhạy và tốc độ làm việc Các hạn chế của APD là

- Chế độ làm việc kém ổn định nên cần mạch điện phức tạp

c) Photon

Dòng nhiễu lớn Điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao.

- Giá thành cao

Do những đặc tính trên mà cả APD và PIN đều tồn tại song song

Có thể giữ được các ưu điểm của PIN và khắc phục các nhược điểm của nóbằng cách dùng kết hợp PIN với một Transistor trường (FET) trong mạch tiềnkhuyếch đại Hai linh kiện kết hợp này được gọi là PIN - FET, chúng được sửdụng khá phổ biến trong hệ thống thông tin quang hiện nay Độ nhạy của PIN -FET có thể so sánh được với APD

- LD có một dòng ngưỡng, nếu dòng điều khiển còn nhỏ hơn dòng ngưỡngthì LD công tác nh mét ELED Nếu dòng điều khiển lớn hơn dòngngưỡng thì công suất ánh sáng ra tăng tuyến tính khá nhanh

- LED bức xạ ánh sáng đẳng hướng nên khả năng ghép vào sợi quang rấtthấp Để tăng hiệu suất thì LED phải có cấu tạo sao cho khi bức xạ ra ánhsáng về một hướng hoặc vuông góc với tiếp giáp P - N (Diode bức xạmặt) hoặc bức xạ trên một cạnh của mặt cắt ngang (Diode bức xạ cạnh -ELED)

- Khi nhiệt độ môi trường tăng thì thì công suất bức xạ ra của LED và LDgiảm Nhiệt độ tăng thì đặc tuyến bức xạ của LED sẽ giảm hơn, còn đặctuyến của LD thì dịch chuyển về phía dòng ngưỡng lớn hơn Khi nhiệt độcòn chưa quá cao thì các đường đặc tuyến hầu như còn song song vớinhau, khi nhiệt độ tăng cao thì đặc tuyến bị nghiêng hơn

LED và LD chế tạo từ vật liệu liên kết InGAsP Arsenic-Phosphorus) Cho các bước sóng dài 1,3 và 1,55m Vật liệuGaAlAs (Gallium-Aluminium-Arsenic) cho bước sóng ngắn 0,85m

(Indium-Gallium-37

CHƯƠNG 5

THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG TRUNG KẾ -ĐƯỜNG DÀI

5.1 Lập kế hoạch tuyến.

(1) Quyết định dựa trên các vấn đề cơ bản

Phải quyết định các vấn đề cơ bản dưới đây trong việc thiết kế trước khi chọntuyến

(a) Trạm đầu cuối

(b) Hệ thống truyền dẫn, số lượng sợi cáp cần thiết

(c) Trạm trung gian trên tuyến

(d) Thời gian bắt đầu của hệ thốngv.v…

(2 )Khảo sát chuẩn bị

Trước khi khảo sát hiện trường, phải kiểm tra một vài tuyến để thu thập các

số liệu cần thiết bởi vì hiệu suất của việc lập kế hoạch tuyến

5.2 Thiết kế khoảng cách lặp.

Khoảng cách lặp của hệ thống thông tin quang có độ dài khác nhau tuỳ thuộcvào từng hệ thống truyền dẫn và loại cáp được sử dụng

(1)Khoảng cách lặp tiêu chuẩn.

Bảng 5.1: Loại sợi cáp và khoảng cách lặp

38

Hệ thống truyền dẫn Sợi Khoảng cách lặp tiêu chuẩn

Khoảng cách mối hàn trung bình là 1Km

*Trong trường hợp sử dụng các bộ lặp công suất lớn

(4) Tính toán suy hao

(a) Suy hao tuyến cho phép

Suy hao lớn nhất cho phép bao gồm suy hao đường dây cho phép và độ dựphòng bảo dưỡng

Suy hao thực tại thời điểm lắp đặt Độ dự phòng bảo dưỡng

Suy hao tuyến cho phép

Suy hao cho phép lớn nhất

Hình 5.1 Suy hao lớn nhất cho phép

Suy hao đường dây cho phép biến đổi theo từng hệ thống

Bảng 5.2: Suy hao đường dây cho phép

Hệ thống

Danh mục

Loại cò

Loại mớiF-1,6G F-400M F-400M F-32M F-6M

Trong đó: A- Suy hao đường dây (dB)

N- Số lượng mối hànS- Số lượng connector SCC- Số lượng connector MTL-Chiều dài tuyến (Km)Phương trình này được xác định theo thống kê

(c) Kết luận: Nếu suy hao cho phép  A (suy hao đường dây) thì tuyến đạt kết quả tốt Nếu không ta phải cố gắng chọn các điều kiện khác

5.3 Khảo sát hiện trường

(1) Xem xét các thiết bị cống bể

(a) Danh mục xem xét

Kích thước bên trong, vị trí cống, vị trí của thanh bảo vệ, cài chốt

Vị trí và loại cáp đang có, vị trí mối hàn

Loại và kích thước cống

Môi trường làm việc xung quanh bể cống (Vấn đề giao thông, nơi đỗ xe)

Không gian làm việc (Khoảng cách cho mối hàn, thiết bị lắp đặt cáp, máykéo cáp.v.v…

Độ chênh lệch giữa các mức cống

Đặt góc cống

Góc uốn cong cáp trong bể cống

Điều kiện đọng nước

Quyết định các cống theo trật tự của dây

Cần thiết sửa chữa bể hiện có

(2) Khảo sát ống cống

Khi sử dụng các ống cống hiện có, phải xác định liệu có nguy hiểm gì xảy rađối với cáp và khả năng đặt cáp

40