TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG

Sơ đồ khối một hệ thống thông tin quang sợi điển hình

Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn α= 1000 dB/km

Năm 1970 hãng Corming Glass Works (Mỹ) sản xuất thành công sợi quang thạchanh có tiêu hao đạt α= 20dB/km tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục Mở ra khảnăng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực

Năm 1971,VC Chape phát minh ra điện máy phát quang Thiết bị này sử dụng khíquyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thờitiết Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khảnăng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau

Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ 1 làm việc ở bướcsóng λ=0,78μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L= 12km, tốc độ bit 90Mb/s.Năm 1979 đến nay đã sản xuất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạtα=0,2dB/km

Đầu năm 1980, A.G.Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra mộtthiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng Tuynhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ rơi do sự xuất hiện của hệ thống

Từ năm 1995-2000 hệ thống thông tin quang thương mại thứ 4 được đưa vào sửdụng Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng công nghệ WDM kết hợp với

bộ khuếch đại quang EDFA tạo nên các tuyến thông tin quang dung lượng rất lớn và tốc

độ cao từ vài chục đến hàng trăm Gb/s

Có thể nói thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Lasernăm 1960 Hơn nữa trong những năm 70 Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao độngliên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo Tuổi thọ của nó được ước lượng khoảnghơn 100 năm Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửimột khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh/dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng 100kmbằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo Hiện nay,các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh vực được gọi làPhoton học-một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, cókhả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng

1.2 Tổng quan

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngàycàng cao Để đáp ứng được những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng viễn thông phải có dunglượng lớn, tốc độ cao Các mạng lưới đang dần dần bộc lộ ra những yếu điểm về tốc

độ, dung lượng, băng thông Mặt khác, mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin pháttriển nhanh chóng, để thích ứng với sự phát triển không ngừng của dung lượng truyềndẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã tự khẳng định được chính mình Như vậy, với việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời

kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockhamnăm 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp 4 năm sau, Kapron đã chế tạo

ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km Cho tới đầunhững năm 1980, các hệ thống thông tin sợi quang đã được phổ biến khá rộng rãi vớivùng bước sóng làm việc 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ củathông tin sợi quang trong hơn 2 thập niên qua Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra nhữngtriển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại hóa mạngthông tin và nhu cầu kết nối thông tin Sự kết hợp sợi quang vào bên trong dây chống sét

cũng như dây dẫn đã đem lại những giải pháp tối ưu cho nhà thiết kế Với sự gia tăngcủa dây chống sét và dây dẫn điện kết hợp với sợi quang không những chỉ truyền dẫn vàphân phối điện mà còn đem lại những lợi ích to lớn về thông tin Điều đó làm giảm giáthành của hệ thống và cũng chính vì những lý do trên mà cáp quang đang được ứng dụngrộng rãi trên thế giới Với giá trị suy hao này đã gần đạt được giá trị suy hao 0.14dB/kmcủa sợi đơn mode, từ đó đã cho ta thấy hệ thống thông tin quang có các đặc điểm nổi bậthơn hệ thống cáp kim loại là:

Suy hao truyền dẫn rất nhỏ

Băng tần truyền dẫn rất lớn

Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

Có tính bảo mật tốt

Có kích thước và trọng tải nhỏ

Sợi có tính cách điện tốt và được chế tạo từ vật liệu có sẵn

Với các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trênmạng lưới Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng đượcmọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới các hệ thốngtruyền dẫn xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang cũng rất phùhợp cho các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, cáctiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản

khôi phục lại tín hiệu ban đầu để đưa đến thiết bị đầu cuối.

Hình 1.1 : Sơ đồ khối một hệ thống thông tin quang sợi điển hình

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,chúng đáp ứng được cả các tín hiệu tương tự cũng như tín hiệu số, chúng cho phéptruyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêucầu của mạng số hóa đa dịch vụ (ISDN) Số lượng cáp quang được lắp đặt trên thế giớivới số lượng ngày càng lớn, ở mọi tốc độ truyền dẫn và ở mọi cự ly Nhiều nước lấy môitrường truyền dẫn cáp quang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thôngcủa họ

 Xu hướng phát triển của EDFA

 Bộ khuếch đại quang sợi phản xạ đơn hướng và hai hướng

Để đa dạng hoá việc ứng dụng, từ các modul tiêu chuẩn đơn hướng và songhướng, trong thời gian tới sẽ có một số dạng cấu hình cải tiến với các modul khác nhau.Trước hết phải kể đến modul phản xạ đơn hướng và song hướng Trong các EDFA phản

xạ, một thiết bị được đặt tại đầu ra của EDFA đề phản xạ ánh sáng bơm và tín hiệu ánhsáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho bộ khuếch đại thực tăng lên CácEDFA hai hướng so với EDFA bơm tiêu chuẩn ở hình vẽ sẽ minh hoạ cho ánh sáng bơmđược trong EDFA nhờ một guơng lưỡng sắc Cấu hình này có thể cho ra được khuếchđại tín hiệu tăng cao gần như gấp hai lần so với cấu hình chuẩn do có sự khuếch đại kép

Input

WDM

OutputEDF

A

Laser

Hiện tại và tương lai, các cấu hình EDFA hai hướng sẽ được ứng dụng nhiều vàcho ra các ưu điểm hơn so với cấu hình phản xạ Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai đầuEDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai hướng.Tuy nhiên cấu trúc này dẫnđến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao.

 Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất

Trong các hệ thống khuếch đại quang, các đáp ứng phi tuyến của EDFA đối với tínhiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn, và điều này làm suygiảm tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại

Input

WDM

OutputEDF

Laser bơmHình 1.3 : Cấu hình EDFA phản xạ

EDF

Output

Laser bơm

Hình 1.4 : Cấu hình EDFA bơm hai hướng cơ bản

quang mắc chuỗi, ảnh hưởng của bão hoà khuếch đại tại bất kì trạng thái EDFA nàocũng đặc biệt có hại vì các chuỗi được thiết kế để hoạt động tại mức thông suốt tín hiệumột cách chính xác Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênhtheo bước sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thayđổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian Điều này gây ra trôi công suất tín hiệu và sự tựđiều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn Như vậy, thực hiện việc điều chỉnhkhuếch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn đề nêu trên là sự điều chỉnh khuếch đạiAGC Cũng tương tự như thế với hệ thống yêu cầu công suất tín hiệu đầu ra không đổi,yêu cầu giảm dao động công suất đầu ra, sử dụng APC.

 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại

Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh WDM kếthợp EDFA Như ta đã biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể hiệnmột vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xảy ra tại các kênh quang có khoảngcách bước sóng lớn Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác nhau như vềphổ khuếch đại cũng có thể dẫn đến sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được, điềunày gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức không thể chấpnhận được

Cân bằng khuếch đại nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quangriêng rẽ

Làm ph ẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ khuếch đại đồng đều ởcác kênh quang riêng rẽ Như vậy, khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh, cân bằngkhuếch đại có thể được thực hiện nhờ biện pháp đơn giản như sau: khi có độ dài đã chocủa EDFA, công suất bơm có thể được chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh

và vai gồm các bước sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt là

do ảnh hưởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn Một cách cân bằng khuếchđại khác là đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằngnhau ở điều kiện bơm lớn nhất

 Cấu trúc cải tiến đặc tính khác

Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về

cấu hình EDFA.

+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu được độkhuếch đại cao hơn

+ Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly

+ Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dàiEDF một bộ lọc quang băng thông hẹp

Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tạpErbium EDF Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh hưởng từ độ dàisợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm Để thiết kế được một bộ EDFA có hiệu quả caonhất cần tối ưu hóa độ dài EDF

1.4 Ưu - Nhược điểm của thông tin quang

Ưu điểm:

 Suy hao thấp

 Dải thông rộng

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ

 Hoàn toàn cách điện

 Không bị can nhiễu của trường điện từ

 Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể

 Tính bảo mật cao

 Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên

Nhược điểm:

 Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt

 Chi phí hàn nối và các thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng

 Thiết bị dù tốt đến đâu thì cũng xảy ra lỗi và để khắc phục nó là cả vấn đề ( nhiềungười làm, máy móc hiện đại….)

 Khó có thể lắp đặt theo những đường gấp khúc

 Không thể sử dụng tại vùng bị chiếu xạ

CHƯƠNG II:

SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG2.1 Sợi quang

2.1.1 Đặc tính của ánh sáng

Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạtrong lõi sợi và phản xạ toàn phần sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và võcủa sợi quang.

Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước hết ta phải tìmhiểu đặc tính của ánh sáng Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc tính cơ bản củaánh sáng (được trình bày ở hình 2.1 dưới đây) Như ta đã biết, ánh sáng truyền thẳngtrong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất Còn hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánhsáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất,các tia sáng được truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn vào môi trường có chỉ sốchiết suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa haimôi trường Các tia sáng khi qua vùng ranh giới này bị đổi hướng nhưng vẫn tiếp tục đivào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia khúc xạ còn ngược lại, nếu tia sáng nào đitrở về lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ Theo định luật Snell ta có quan hệ:

n1Sinφ1=n2Sinφ2

với φ1 là góc tới và là φ2 là góc khúc xạ

Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng

2.1.2 Cấu tạo

Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm 2 lớp chính từ các chất điện môi đồng

tâm nhau Lớp trong gọi là lớp lõi (core) và lớp ngoài là lớp vỏ (clading) Ngoài ra còn

có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài Chất điện môi chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinhthạch anh (Sio) hoặc chất dẻo tổng hợp Sợi quang từ thủy tinh thạch anh có tiêu haothấp và đường kính nhỏ, giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính lớn hơn

và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp

2.1.3 Phân loại

Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như:

Bảng tham số của cáp quang

+ Bảng 2.1: Cho các tham số của cáp băng dẹt

Thông số Vỏ kim loại4÷100 sợi 104÷200 sợi Vỏ chất dẻo4÷100 sợi 104÷100 sợi

+ Bảng 2.2: Cho các tham số của cáp lõi có khe răng lược

Thông số Vỏ kim loại2÷32 sợi 34÷48 sợi Vỏ chất dẻo2÷32 sợi 34÷48 sợi

+ Bảng 2.3:Cho tham số của cáp sợi thả lỏng trong ống

Thông số Vỏ kim loại2÷48 sợi 50÷96 sợi Vỏ chất dẻo2÷48 sợi 50÷96 sợi

Sợi quang thạch anh

Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu

Sợi quang bằng nhựa vật liệu

Sợi quang chiết suất phân bậc

Phân loại theo phân bố chiết suất

khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi đều

Sợi quang đơn mode

Phân loại theo mode truyền dẫn

Sợi quang đa mode

+Bảng 2.4: Cho các tham số của cáp treo trên cột

2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi

2.2 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Sợi quang có hai đặc tính truyền dẫn là suy hao và tán sắc

2.2.1 Đặc tính suy hao

Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dàisợi Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao Nếu gọi L (km) làchiều dài sợi quang, Pv là công suất quang tại đầu sợi và Pra là công suất quang tại cuốisợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là :

α

Sự suy hao của sợi quang bao gồm các dạng chính như sau : suy hao do hấp thụ,suy hao do tán xạ và bức xạ, suy hao do kết nối

+ Suy hao do hấp thụ là do sự hấp thụ của vật liệu chế tạo sợi với ánh sáng

truyền qua nó Đó là bản chất vật lý của cấu tạo phân tử và nguyên tử của vật liệu sợi.Suy hao do hấp thụ bao gồm sự hấp thụ hồng ngoại và tử ngoại của vật liệu, hấp thụ củacác Ion OH còn sót lại trong quá trình chế tạo sợi Suy hao do hấp thụ của các Ion OH cócác đỉnh cực đại tại các bước sóng λ = 0,94;1,22 và 1,38 μm Suy hao do hấp thụ hồngngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng λ >= 10 μm, suy hao do hấp thụ tử ngoại sẽ lớn tạivùng bước sóng λ < 0,1 μm

+ Suy hao do tán xạ và bức xạ :

Khi ánh sáng truyền trong lõi sợi quang, gặp các chỗ bất đồng nhất về chiết suất

trong sợi có kích thước lớn sấp xỉ bước sóng sẽ bị tán xạ ra mọi phía và được gọi là tán

xạ Rơlay dẫn đến suy hao Tán xạ này có hệ số suy hao tỷ lệ nghịch với λ4 Nên suy hao

do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng ở > 1 μm

Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ khi

sợi bị uốn cong quá mức Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không thựchiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên suy hao

do bức xạ Vì vậy để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang đều quy định bánkính uốn cong cực đại cho phép theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi

+ Suy hao do kết nối : bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đấu nối

dùng Colectơ Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt 0,1 dB/mối, và suy hao tạimỗi Colectơ không vượt 1 dB/ c

Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy haotổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của sợi quang

2.2.2 Đặc tính tán sắc

+ Sự tán sắc của sợi quang : khi xung quang truyền dọc sợi ngoài bị suy hao

còn bị mở rộng độ rộng xung, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang

Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là :

Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận lên

nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu ISI

(inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit truyềntrong sợi

Có các dạng tán sắc của sợi quang nh sau : tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắcống dẫn sóng

+Tán sắc mode : Tán sắc mode chỉ sảy ra trong sợi đa mode Tán sắc mode là do

sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau Mỗi mode làmột tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, mặc dù các mode truyền đi

2 2

1

r t

đồng thời ở lối vào sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại những thời điểm khácnhau do đi trên những khoảng cách khác nhau, còn được gọi là sự trễ mode Tán sắcmode dẫn đến làm giãn rộng xung quang Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh hơn

so với ở sợi MM-GI Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là hệ số tánsắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, ký hiệu là D

Dùng lý thuyết quang hình ta tính đợc hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau :

Trong sợi MM-SI :

) / ( )

C

n SI

(2.5)

Trong sợi MM-GI :

) / ( 2 ) (

2

1 ns km C

n GI

Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không Tán sắc mode không phụ thuộcvào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi quang

+Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng

trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiếtsuất của vật liệu chế tạo lõi sợi là hàm của bước sóng

Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau :

)./)(

(

1

2 1

2 2 2

1

2

nm kn ps d

n d C

Cd

n d

D vl

λ

λλλ

+Tán sắc ống dẫn sóng (tán sắc đường truyền):là sự phụ thuộc của hằng số

truyền của mode súng vào bán kính lõi sợi a và bước sóng làm việc theo hàm số dạng.Tán sắc này cũng dẫn tới làm giãn độ rộng xung quang truyền dọc sợi Tán sắc ống dẫnsúng trong sợi đa mode là khá nhỏ có thể bỏ qua Trong sợi đơn mode, tại vùng bướcsúng λ < 1μm nó cũng nhỏ so với tán sắc vật liệu và có thể bỏ qua

) (

2 1

λλ

π

Song tại vùng bước sóng gần 1,27μm thì tán sắc này lại so sánh được với tán sắcvật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó Hệ số tán sắc ống dẫn sóng được tínhtheo biểu thức :

) / ( ) ( 2

2

dV

Vb d C

2 2 2

2/

n n

n k b

−

−

= β

Là hằng số truyền chuẩn hóa của mode sóng Ta thấy rằng đồ thị đường cong hệ

số tán sắc vật liệu Dvl tăng theo bước sóng tăng, có giá trị từ âm sang dương đi qua

không tại bước sóng bằng1,27 μm Ngược hệ số tán sắc ống dẫn sóng Dods có giá trị âm

và đường cong này giảm khi bước sóng tăng Vì vậy trong sợi đơn mode hiệu ứng tán

sắc tổng hợp tại bước sóng làm việc ở vùng cửa sổ 1,3 μm giảm đến gần bằng không

2.3 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang

Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợiquang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu Mặt khác, doviệc khó lắp đặt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang

có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống

2.3.1 Suy hao tín hiệu

Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra Ρout của sợi cóchiều dài L và công suất quang đầu vào Pin Tỷ số công suất này là một hàm của bướcsóng Người ta thường dùng α để biểu thị suy hao tính theo dB/km

không có suy hao, khi đó P out= P in

2.3.2 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang

+ Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có trong

vật liệu sợi Trong thủy tinh, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển tiếp đãlàm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt, crom, đồng và các ion OH Sự có mặt củacác tạp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn Các sợi dẫn quang trước đây cósuy hao trong khoảng từ 1 đến 10dB/km Sự có mặt của các phân tử nước đã làm cho suyhao tăng hẳn lên Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2700nm và cùngtác động qua lại cộng hưởng với Silic, nó tạo ra các khoảng hấp thụ ở 1400nm, 950nm

và 750nm Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó gọi là các cửa sổ truyền dẫn850nm, 1300nm, 1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền ánh sáng

+ Hấp thụ do vật liệu:Ta thấy rằng ở bước sóng dài thì sẽ suy hao nhỏ nhưng

các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóngdài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liênkết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng nó vẫn có ảnh hưởng và ởđây nó kéo dài tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng này không giảm suy hao mộtcách đáng kể

+ Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon

kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn

2.3.3 Suy hao do tán xạ

Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõisợi gây ra Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấutrúc hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi

Việc diễn giải suy hao do tán xạ gây ra là khá phức tạp do bản chất ngẫu nhiêncủa phần tử và các thành phần ôxit khác nhau của thủy tinh Đối với thủy tinh thuầnkhiết, suy hao tán xạ tại bước sóng λdo sự bất ổn định về mật độ gây ra có thể đượcdiễn giải như công thức dưới đây:

( ) B f T scat n k T β

8

−

n: chỉ số chiết suất.

kB: hằng số Boltzman

βT : hệ số đẳng nhiệt của vật liệu

Tf: nhiệt độ hư cấu ( là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại thành thuỷ tinh)

2.3.4 Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kỳ một sợidẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánhsáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao Có hailoại uốn cong sợi:

 Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớnhơn đường kính sợi

 Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và thường bị xãy ratrong lúc sợi được bọc thành cáp

Hiện tượng uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trísợi bị uốn cong Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường gọi là uốn cong) thì hiện tượngsuy hao này thấy rất rõ

Đối với trường hợp sợi bi uốn cong ít thì giá trị suy hao xảy ra là rất ít và khó cóthể mà thấy được Khi bán kính uốn cong giảm dần thì suy hao sẽ tăng theo quy luật hàm

mũ cho tới khi bán kính đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì suy hao uốn cong thể hiệnrất rõ Nếu bán kính uốn cong này nhỏ hơn giá trị điểm ngưỡng thì suy hao sẽ đột ngộttăng lên rất lớn

2.4 Cáp sợi quang

2.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật

Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc thành cáp.Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc một lớp nhựa mỏng để bảo vệ mặt ngoài của

nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng 250 μm có thể tách ra khỏi sợi quang mộtcách dễ dàng, không ảnh hưởng đến lõi sợi

Khi sản xuất cáp quang, để bảo đảm tính ổn định, bền vững cơ học và an toàn,người ta phải làm lớp vỏ bảo vệ cáp, đưa thêm vào cáp các chất độn và các vật liệu giacường chịu lực cho cáp Vỏ bảo vệ cáp thường làm bằng nhựa tổng hợp có độ bền caochịu được tác động trong các môi trờng sử dụng Chất độn là chất nhờn lấp đầy các khe

hở của cáp Vật liệu gia cường có thể là sợi thép hoặc sợi tổng hợp có độ bền lớn

+ Đảm bảo truyền dẫn ổn định, bền vững cơ học cao, chịu được tác động củamôi trường, lắp đặt, thi công và sửa chữa thuận tiện

+ Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định,nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuậntiện cho sử dụng

+ Chất độn yêu cầu có hệ số giãn nở bé, ổn định nhiệt, không bị đông cứng,không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đốivới sợi quang

+ Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng để

dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn

+ Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài nhưchống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp

2.4.2 Phân loại cáp quang

Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như :

+ Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng lược,cáp có cấu trúc dạng băng dẹt

+ Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáptrung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục

+ Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống bể,cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển

Ví dụ: Một số mẫu cáp quang

+ Cáp băng dẹt

+ Cáp lõi có khe răng lược

+ Cáp với sợi thả lỏng trong ống

+ Cáp treo trên cột

2.4.3 Các thành phần của cáp quang

Các thành phần của cáp quang bao gồm : Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần tử gia cường, vỏ bọc và vật liệu độn

Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu

trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp Lõi cáp được bao quanh phần tử

gia cường của cáp Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằngchất dẻo.

Thành phần gia cường : Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng của cáp,

đặc biệt ổn định nhiệt độ cho cáp Nó có thể là kim loại, phi kim, tuy nhiên phải nhẹ và

có độ mềm dẻo cao

Vỏ cáp : Vỏ cáp bảo vệ cho cáp và thường được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị

tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài cáp còn vỏ bọc bằng kim loạiđược dùng cho cáp chôn trực tiêp

2.4.4 Các biện pháp bảo vệ sợi

+ Bọc chặt sợi :

Sợi quang sẽ được bọc chặt do đó sẽ làm tăng tính cơ học của sợi và chống lại ứngsuất bên trong Các sợi quang có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu dẻo đơnhoặc kép Trong một môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thểgây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên Từ đó cóthể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa chọn vậtliệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và cách thứhai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co nhiệt

+ Bọc lỏng sợi :

Sợi quang có thể được đặt trong cáp khi được bọc một lớp chất dẻo có màu mỏng.Các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có ở lõi chất dẻo Các ống và cácrãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể hoàn toàn tự dotrong nó Kỹ thuật này cho phép sợi tránh được các ứng suất bên trong Trong cấu trúcbọc lỏng, các sợi nằm trong ống hoặc trong khe đều được bảo vệ rất tốt Giải pháp này ítdùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng

CHƯƠNG III: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang

Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn dàitới mức phân bổ suy hao không thoả mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự phòngthì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Các trạm lặp ở đâythực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang.Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được nữa sẽ được cáctrạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lạithời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn đểtruyền lên đường truyền Với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiệnđược quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quátrình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang Kỹ thuật khuyếchđại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như về băng tần,cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… việc phát triển và ứng dụngcác bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn choquá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn khuếch đại quang và từ đó tiến tớiphát triển mạng toàn quang Khuếch đại quang có thể được đặt ở các phần khác nhau của

hệ thống thông tin Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại trên tuyến truyền dẫn màkhuếch đại quang có thể được sử dụng như :

 Khuếch đại công suất

 Khuếch đại thu

 Khuếch đại đường truyền

Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại

công suất tín hiệu truyền Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn

Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín

hiệu thu yếu trước khi đi vào bộ tách sóng

Khuếch đại đường truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch đại

đường truyền phải được sử dụng Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại quang đượcđặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn Đối với sợi quang Soliton xung ánh sáng được

truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đường truyền được sử dụng để cung cấp mộtmức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến

Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, thành công chủ yếu tậptrung vào hai loại chính:

 Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA

 Các bộ khuếch đại quang sợi OFA

Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang được thể hiện qua bảng sau:

Laser FPA

Khuếch đại Laser TWA

Khuếch đại quang sợiNguyên lý

Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môitrường

Bức xạ từ nghịch đảo

độ tích lũy môi trường

Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trườngCông xuất bảo hòa lối

Băng tần khuếch đại

Hệ số khuếch đại tuyến

3.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại

Như ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quantrọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang Dưới đây là một số tiêu chuẩn khithiết kế các bộ khuếch đại quang :

 Khuếch đại công suất cao: Đạt được công suất cao là mục đích chính của việc

thiết kế bộ khuếch đại quang Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt được là 30dB Nhưng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng

10- Hiệu suất bơm ngoài cao: Công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ khuếch

đại yêu cầu Để đạt được độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phía có hiệu suấtbơm ngoài cao Yêu cầu này dẫn tới sự phát triển của các bộ khuếch đại quang sợipha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vượt trội hơn thế hệ trước của chúng dựatrên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích Một bộ EDFA điển hình có hiệu suấtbơm từ 6 -10dB/mW

 Hiệu ứng bão hoà thấp: Khuếch đại bão hòa là không đáng quan tâm trong các

bộ khuếch đại bán dẫn nhưng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi

 Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều

mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đạiđồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau Điều này là quan trọng với kỹthuật ghép kênh theo bước sóng WDM Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đạicủa bộ khuếch đại sẽ nhạy cảm đối với bước sóng của tín hiệu vào Điều này chophép hệ thống truyền dẫn tránh được sự trôi bước sóng

 Không phụ thuộc vào sự phân cực: Nói chung, khuếch đại công suất cũng phụ

thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào Đây là nguyên nhân gây ra bởi các hệ số giamcầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau Để khắc phục vấn đề này hai bộkhuếch đại có thể được kết hợp với nhau như sau:

Hình 3.1 : Khuếch đại phân cực không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ khuếch đại

riêng biệt cho 2 bước sóng phân cực trực giao

 Nhiễu bổ sung thấp: Do bức xạ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ

khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào Hơn nữa, do độ khuếch đạicủa bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng được khuếch đại Nhiễu này là nhiễu bức xạphát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất là 8 dB Do các bộ khuếch đại không được thiết

kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên

Bộ nối

Bộ tách

tín hiệu phân cực

 Xuyên kênh thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại

nhiều tín hiệu vào tại các bước sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để chắcchắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác Nếu hệ số khuếch đại của

bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào thì sữ không có nhiễuxuyên kênh ICI (Interchannel interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk) Tuy nhiên, vìkhuếch đại bão hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào Kết quả là,khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công suất lớn hơn dẫn đến ICI hoặcxuyên kênh

Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thờicủa chúng là có thể thay đổi do cường độ điều chế Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộkhuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suấtphải không đổi điều chế cường độ Bộ EDFA dáp ứng được các điều kiện trên vì các hạtmang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền

 Bước sóng công tác phù hợp: Như ta đã biết có hai bước sóng quan trọng sử

dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm Tại bước sóng 1300nm tán sắc sợi

là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyếtđược vấn đề suy hao nên người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại tại bước sóng1300nm Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm

từ hợp chất nhóm III và V Nhưng bộ EDFA có thể khuếch đại bước sóng ánh sáng xungquanh bước sóng 1550nm do dải năng lượng Erbium

 Suy hao bộ nối thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng trên một tuyến

thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối Suy hao bộ nối thấp có thể đạt đượckhi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang

3.3 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức

xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các ion Erbium Er3+ được kích thích từ trạng tháinền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng

lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới sẽ đi đếnvới các ion Erbium đã được kích thích Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photonphụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới Như vậy đã đạt được quá trình khuếchđại quang trong EDFA Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới

sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms Phát xạ tự phát

SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ

tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn nhiễu quang ở đầu racủa bộ khuếch đại quangEDFA không những tín hiệu được khuếch đại mà nhiễu nàycũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (AmplifiedSpontaneous Emission) ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộkhuếch đại

3.3.2 Cơ chế làm việc của EDFA

Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các bộkhuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẫn chưađược ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời

Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như (Hình 3.2) Bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion erbium (Er3+) (gọi làsợi EDF) Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác nhâncho sự phát xạ cưỡng bức Để kích thích các hạt mang của Er3+ lên các mức năng lượngcao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi thông qua một

bộ ghép trực tiếp Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp hơn bước

Nguồn bơm ngoài

Đoạn sợi quang pha tạp Er 3+

ánh sáng đến

ánh sáng đã được khuếch đại

Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang

EDFA