Báo cáo Hệ thống thông tin quang Full

6.1 GIỚI THIỆU 1 6.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 1 6.1.2 Sơ lược cấu trúc hệ thống thông tin quang 4 6.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 6 6.2.1 SỢI CÁP QUANG 7 6.2.1 Khái niệm và những ứng dụng của sợi quang 7 6.2.1.1 Khái niệm 7 6.2.1.2 Ứng dụng 7 6.2.2 Cấu trúc sợi quang 7 6.2.2.1 Sợi quang 8 6.2.2.2 Cáp quang 8 6.2.2.3 Cấu trúc sợi quang 10 6.2.3 Các mode sợi quang 10 6.2.3.1 Khái niệm mode 10 6.2.3.2 Sợi đa mode 10 6.2.4 Các thông số của sợi quang 12 6.2.4.1 Công suất 12 6.2.4.2 Hệ số suy hao 12 6.2.5 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 13 6.2.5.1 Suy hao 13 6.2.5.2 Tán sắc 16 6.2.5.3 Hiêu ứng phi tuyến trong sợi quang 18 6.3. BỘ PHÁT QUANG 18 6.3.1 Các khái niệm cơ bản 18 6.3.1.1 Mức năng lượng 20 6.3.1.2 Các nguyên lí biến đổi quang điện 21 6.3.1.3 Vùng năng lượng 21 6.3.1.4 Các tiếp giáp pn 22 6.3.2 Nguồn phát quang 24 6.3.2.1 Diode phát quang LED 24 6.3.2.2 Laser 29 6.4 THIẾT BỊ THU QUANG 34 6.4.1 Giới thiệu 34 6.4.2 Các loại photodiode 34 6.4.2.1 Photodiode pin 34 6.4.2.2 Photodiode thác lũ 36 6.4.3 Các thông số cơ bản 37 6.4.3.1 Hiệu suất lượng tử 37 6.4.3.1 Đáp ứng quang R 38 6.4.4 Độ nhạy thu 39 6.4.4.1 Các cơ chế nhiễu 40 6.4.4.1.1 Nhiễu nổ 40 6.4.4.1.2 Nhiễu nhiệt 40 6.4.4.1.3 Nhiễu trong bộ thu pin 41 6.4.4.1.4 Nhiễu trong bộ thu APD 41 6.4.4.1.5 Nhiễu Schottky 42 6.4.5 Một số vấn đề khác trong thiết kế bộ thu quang 42 6.5 QUẢN LÝ MẠNG QUANG 43 6.5.1 Các phần tử mạng quang 43 6.5.2 Các chức năng quản lí mạng 45 6.5.2.1 Quản lý sự cố 45 6.5.2.2 Quản lý cấu hình 45 6.5.2.3 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.4 Quản lý bảo mật 48 6.5.2.5 Quản lý kế toán 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LỚP: DV14

TP.HỒ CHÍ MINH, 12 - 2017

ii

MỤC LỤC

6.1 GIỚI THIỆU 1

6.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 1

6.1.2 Sơ lược cấu trúc hệ thống thông tin quang 4

6.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 6

6.2.1 SỢI CÁP QUANG 7

6.2.1 Khái niệm và những ứng dụng của sợi quang 7

6.2.1.1 Khái niệm 7

6.2.1.2 Ứng dụng 7

6.2.2 Cấu trúc sợi quang 7

6.2.2.1 Sợi quang 8

6.2.2.2 Cáp quang 8

6.2.2.3 Cấu trúc sợi quang 10

6.2.3 Các mode sợi quang 10

6.2.3.1 Khái niệm mode 10

6.2.3.2 Sợi đa mode 10

6.2.4 Các thông số của sợi quang 12

6.2.4.1 Công suất 12

6.2.4.2 Hệ số suy hao 12

6.2.5 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 13

6.2.5.1 Suy hao 13

6.2.5.2 Tán sắc 16

6.2.5.3 Hiêu ứng phi tuyến trong sợi quang 18

6.3 BỘ PHÁT QUANG 18

6.3.1 Các khái niệm cơ bản 18

6.3.1.1 Mức năng lượng 20

6.3.1.2 Các nguyên lí biến đổi quang điện 21

6.3.1.3 Vùng năng lượng 21

6.3.1.4 Các tiếp giáp p-n 22

6.3.2 Nguồn phát quang 24

6.3.2.1 Diode phát quang LED 24

6.3.2.2 Laser 29

6.4 THIẾT BỊ THU QUANG 34

6.4.1 Giới thiệu 34

6.4.2 Các loại photodiode 34

6.4.2.1 Photodiode p-i-n 34

6.4.2.2 Photodiode thác lũ 36

6.4.3 Các thông số cơ bản 37

6.4.3.1 Hiệu suất lượng tử 37

6.4.3.1 Đáp ứng quang R 38

6.4.4 Độ nhạy thu 39

6.4.4.1 Các cơ chế nhiễu 40

6.4.4.1.1 Nhiễu nổ 40

6.4.4.1.2 Nhiễu nhiệt 40

6.4.4.1.3 Nhiễu trong bộ thu p-i-n 41

6.4.4.1.4 Nhiễu trong bộ thu APD 41

6.4.4.1.5 Nhiễu Schottky 42

6.4.5 Một số vấn đề khác trong thiết kế bộ thu quang 42

6.5 QUẢN LÝ MẠNG QUANG 43

6.5.1 Các phần tử mạng quang 43

6.5.2 Các chức năng quản lí mạng 45

6.5.2.1 Quản lý sự cố 45

6.5.2.2 Quản lý cấu hình 45

6.5.2.3 Quản lý bảo mật 48

6.5.2.4 Quản lý bảo mật 48

6.5.2.5 Quản lý kế toán 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

6.1.GIỚI THIỆU

6.1.1.Lịch sử hình thành và phát triển

Từ xa xưa để truyền thông tin cho nhau,con người đã biết liên lạc với nhau bằng cách ra dấu.Trải qua một thời gian dài lịch sử,thông tin quang đã có những bước phát triển và hoàn thiện có thể được tóm tắt qua những lịch sử dưới đây:

 Năm 1775:Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston đang kéo tới

 Năm 1790:Claude Chappe,kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang

`Hình 6.1.1.Hệ thống điện báo quang

 Năm 1854:John Tyndall,nhà vật lý tự nhiên người Anh,đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua trong môi trường điện môi trong suốt

 Năm 1870:cũng chính ông đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lí phản xạ toàn phần

Hình 6.1.2.Hiện tượng phản xạ toàn phần

 Năm 1880:Alexander Graham Bell,người Mỹ,đã phát minh ra một hệ thống thông tin ánh sáng,đó là hệ thống photophone

 Năm 1958: Charles H.Townes phát minh ra Laser

 Năm 1967:Suy hao của sợi quang là   1000 dB/Km

 Năm 1970:Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao

<20 dB/Km ở bước sóng =633nm

 Năm 1972:Sợi GI được chế tạo với suy hao   4 dB/Km

 Năm 1983:Sợi SM(Single Mode) được chế tạo ở Mỹ

Và hiện nay,sợi quang có suy hao   0,2 dB/Km ở bước sóng 1550 nm,và có những loạisợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều

Hình 6.1.4.Sợi quang

6.1.2.Sơ lược cấu trúc hệ thống thông tin quang

Hình 6.1.5.Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

Hình 6.1.5 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang.nói chung tín hiệu

điện từ máy điện thoại,từ các thiết bị đầu cuối,số liệu hoặc Fax được đưa đến bộ E/O để chuyển thành tín hiệu quang,sau đó gởi vào cáp quang.Khi truyền qua sợi quang,công suất

tín hiệu(ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra.khi truyền tới đầu bên kia sợi

quang,tín hiệu này được đưa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện,khôi phục lại nguyên dạng

như ban đầu mà máy điện thoại,số liệu và máy Fax đã gửi đi

Như vậy cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể được mô tả đơn giản như hình 6.1.6 gồm:

 Bộ phát quang

 Bộ thu quang

 Sợi cáp quang

Hình 6.1.6.Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang.

Hình 6.1.6 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo một hướng.Còn hình 6.1.7 minh họa tuyến truyền dẫn theo hai hướng

Hình 6.1.7.Minh họa tuyến truyền dẫn theo hai hướng

Nếu cự li thông tin truyền đi quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm

lặp(Repeater).Cấu trúc đơn giản của một trạm lạp

Hình 6.1.8.Cấu trúc của một trạm lặpquang

 Khối E/O:bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu đưa đến ,biến tín hiệu đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền(sợi quang).Đó là chính

năng chính của khối E/O phát quang.Thông thường người ta gọi khối E/O là nguồn quang Hiện nay, linh kiện được sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER.

 Khối O/E:khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu,tín hiệu quang này sẽ được thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát.Đó là chức năng của khối O/E trong bộ thu quang.Các linh kiện hiện nay được sử dụng làm chức năng này là PIN và APD.Và chúng được gọi là linh kiện tách sóng quang

 Trặm lặp:khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang này bị suy yếu dần (dosợi quang có độ suy hao).nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp nên đầu thu khó nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp.Chức năng chính của trạm này là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng lại thành tín hiệu điện.Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang.Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu.Như vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang,

và trong trạm lặp còn có cả khối E/O và O/E

6.1.3.Ưu điểm và nhược điểm

6.1.3.1.Ưu điểm

 Suy hao thấp:Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn.Nếu so

sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng được khuyến cáo là 100m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000m

 Dải thông rộng:Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống

truyền dẫn số tốc độ cao.Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz

 Trọng lượng nhẹ:Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng.Một cáp

quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi.Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

 Kích thước nhỏ:Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế

mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

 Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp.

 Tính an toàn:Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện.

 Tính bảo mật:Sợi quang rất khó trích tín hiệu.Vì nó không bức xạ năng lượng

điện từ nên không bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện

thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang.

 Tính linh hoạt:Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các

dạng thông tin số liệu, thoại và video

6.1.3.2.Nhược điểm

 Vấn đề biến đổi Điện-Quang:Trước khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào

sợi quang,tín hiệu điện đó phải được biến đổi thành sóng ánh sáng

 Dòn,dễ gẫy:Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh nên

dòn và dễ gẫy.Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn.Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng

 Vấn đề sửa chữa:Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật

viên có kĩ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

 Vấn đề an toàn lao động:Khi hàn nối sợi quang cần để cách mảnh cắt vào lọ

kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể.Ngoài ra, không được nhìn trực diễn đầu sợi quang hay các khớp để nối để hở hay để phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt.Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, vì thế sẽ gây nguy hại cho mắt

6.2.1.2.Ứng dụng

 Y tế:Trong ống soi phế quản, nội soi, soi ổ bụng

 Cơ khí:Kiếm tra mối hàn cơ khí trong đường ống và các công cụ

 Sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa, như gửi email, tin nhắn…

 Bảo mật tối ưu

 An toàn cho thiết bị đầu và cuối không sợ bị sét.

 Dễ dàng nâng cao tốc độ đường truyền

 Ổn định cao

Ngoài ra,sợi quang còn có ứng dụng trong thông tin giai đoạn hiện nay:

 Mạng cáp quang đường trục xuyên quốc gia:Cáp treo, cáp chôn trực tiếp hoặc cáp kéo trong cống.Thường có vỏ nhựa PE màu đen.Sợi quang trong cáp đặt trong ống đệm lỏng thường chỉ cần lớp kim loại bọc ruột cáp không cần lớp gia cường

 Mạng quang riêng của các công ty đường sắt, điện lực, bộ ngành…

 Đường cáp quang trung kế:Cung cấp hệ thống đường truyền điện thoại cho các công

ty, văn phòng, trường học, đoàn thể, tập đoàn, ngân hàng có nhu cầu sử dụng 1 hệ thống điện thoại từ 30 máy điện thoại trở lên vì chi phí hàng tháng thấp

 Đường cáp quang thả biển liên quốc gia:Bao gồm những loại cáp quang dùng trong môi trường đặc biệt như cáp lắp trên máy bay, tàu biển, cáp thả sông thả biển.Cáp quang được chế tạo phù hợp với từng môi trường cụ thể

 Đường cáp quang truyền số liệu, mạng LAN:là mạng máy tính cục bộ- là một hệ thốngmạng dùng để kết nối các máy tính trong một phạm vi nhỏ(nhà ở, ở phòng làm việc, trường học,….) Các máy tính trong mạng LAN có thể chia sẻ tài nguyên với nhau, màđiển hình là chia sẻ tập tin, máy in, máy quét và một số thiết bị khác

 Mạng cáp quang truyền hình

 Máng cáp quang internet thuê bao đến từng hộ gia đình:Có vỏ PVC là vật liệu khó cháy, được nhuộm màu vì không cần ngăn các bức xạ như cáp ngoài trời.Tùy theo mụcđích sử dụng số lượng sợi cáp quang có thể từ 1 đến vài chục sợi

 Lớp vỏ bảo vệ chính(Primary coating):Lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ lõi và cladding không bị phá hỏng bởi bụi ẩm và trày,xước.

Ngoài ra còn có các lớp phụ như:

 Lớp chịu lực(Strength menber):được làm bằng sợi gia cường (Kelvar).Trong quá trình cài đặt và thi công, lớp chịu lực sẽ bảo vệ cáp quang không bị đứt trước các lực kéo cáp quá lớn

 Lớp ống đệm bảo vệ(Buffer):thường làm bằng nhựa PVC,tránh va đập,ẩm ướt

 Lớp vỏ ngoài bảo vệ(Jacket):là lớp bảo vệ ngoài cùng,có khả năng chịu và đập, nhiệt và chịu mài mòn cao, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường như các tia hồng ngoại.Lớp vỏ bảo vệ được phân theo môitrường sử dụng và tiêu chí chống cháy

Hình 6.2.1.Cấu trúc của sợi quang

6.2.2.2.Cáp quang

6.2.2.2.1.Đặc điểm yêu cầu của cáp quang:

 Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ

 Không thấm nước,lọt nước

 Chống được các ảnh hưởg:va chạm, lực kéo, lực nén, lực uốn cong

 Ổn định khi nhiệt độ thay đổi

 Ít bị lão hóa

 Trọng lượng nhỏ, kích thước bé

6.2.2.2.2.Phân loại cáp quang:

Có thể phân loại cáp quang theo cấu trúc, mục đích sử dụng, theo điều kiện lắp đặt

 Phân loại theo cấu trúc

 Cáp có cấu trúc cổ điển: các sợi hoặc nhóm sợi được phân bố đối xứng theo hướng xoay tròn đồng tâm Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến

 Cáp có lõi trục có rãnh:các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên rãnh có sẵn trên một loại của cáp.

 Cáp có cấu trúc băng dẹp:nhiều sợi quang được ghép trên một băng, và nhiều băng xếp chồng lên nhau

 Cáp có cấu trúc đặc biệt:do nhu cầu trong cáp có thể có các dây kim loại để cấp nguồn từ xa, cảnh báo, làm đường nghiệp vụ; hoặc cáp đi trong nhà, chỉ cần hai sợiquang là đủ…

Hình 6.2.2.Ví dụ về cấu trúc cáp quang

 Phân loại theo mục đích sử dụng

 Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn

 Cáp trung kế giữa các đài

Tuy rằng phân chia ra nhiều loại, song sử dụng phổ biến hiện nay là cáp quang có cấu trúc cổ điển.Sau đây ta sẽ xem xét cấu tạo cơ bản của một cáp quang có cấu trúc cổ điển.Cấu trúc cổ điển tổng quát gồm có: thành phần chịu lực trung tâm, sợi quang, băng quấn,chất nhồi, lớp gia cường ngoài, vỏ cáp.

Hình 6.2.3.Cấu trúc tổng quát của cáp quang

6.2.3.Các mode sợi quang

6.2.3.1.Khái niệm mode

Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của sóng trong sợi quang.Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn định của các đường này gọi là mode sóng.Có thể hình dung gần đúng là một mode ứng với một tia sáng

6.2.3.2.Sợi đa mode(Multi-Mode)

 Đặc điểm của sợi đa mode là truyền đồng thời nhiều mode sóng

 Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có tần số chuẩn hóa V(Normalized Frequency).Tần số chuẩn hóa V được xác định như sau:

 Gồm 2 loại sợi đa mode:.

Multimode Graded Insex(GI):còn gọi là sợi quang có chiết suất giảm dần

Hình 6.2.4.Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Multimode Step Index(SI):còn gọi là sợi quang có chiết suất nhảy bậc

Hình 6.2.5.Sự truyền ánh sáng trong sợi SI

 Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn Giá trị điển hình:

 Đường kính lõi: d=50m

 Đường kính lớp bọc: D=125m

 Chiết suất lõi:

 Khẩu độ số: NA=0.2

6.2.3.3.Sợi đơn mode.

 Sợi đơn mode là sợi chỉ có một mode sóng cơ bản lan truyền

 Sợi đơn mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn: Giả trị điển hình:

 Đường kính lõi: d=9

 Đường kính lớp bọc: D=125m

 Chiết suất lõi:

 Khẩu độ số: NA=0.13

6.2.6.Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode.

6.2.4.Các thông số của sợi quang

P(0):công suất ở đầu sợi

P(L):công suất tính từ đầu sợi đến cự li z

Trong đó:

A:suy hao của sợi

L:chiều dài của sợi

Độ suy hao được tính bởi công thức:

A(dB)=10log(

Trong đó:

=P(0):công suất đưa vào đầu sợi

=P(L):công suất ở cuối sợi

6.2.5.Các đặc tính truyền dẫn sợi quang

Có 3 yếu cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm:

 Suy hao

 Tán sắc

 Hiệu ứng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

6.2.5.1.Suy hao

Suy hao trên sợi quang đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham

số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu.Các nguyên nhan chính gây suy hao là:

do hấp thụ, do bước song, do tán xạ tuyến tính và do uốn cong

6.2.5.1.1.Suy hao do hấp thụ

Sự hấp thụ của tạp chất kim loại:các tạp chất trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ, do những nguyên tử không sạch trong vật liệu thủy tinh (ion chuyển tiếp kim loại như đồng, sắt hay ion OH) Ví dụ: Ion kim loại mật độ 1 đến vài phần tỷ gây ra suy hao khoảng 1-10 dB/Km.Mật độ ion OH phải nhỏ hơn vài phần tỷ để có được suy hao nhỏ hơn 20dB/Km

Hình 6.2.8.Độ hấp thụ các tạp chất kim loại.

Hấp thụ bên trong do cấu tạo nguyên tử cơ bản của vật liệu sợi:

 Dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím: hấp thụ cực tím giảm theo hàm mũ khi bước sóng tăng

 Dải dao động nguyên tử trong vùng gần hồng ngoại

6.2.5.1.2 Suy hao do tạp chất

Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chất có trong vật liệu sợi.Trong thủy tinh thông thường, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion kim loại sắt, crom, coban, đồng và ion OH (nước).Sự

có mặt của tạp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi mà làm bằng thủy tinh như các lăng kính thông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km

Các sợi quang trước đây với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trongkhoảng 1 đến 10 dB/km.Sự có mặt của các phần tử nước đã làm cho suy hao trội hẳn lên.Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7µm và cùng tác động qua lại của cộng hưởng Silic, nó tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400,950 và 750nm

Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn 850 nm,

1300 nm và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng

Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự có mặt của nước phải ít hơn vài phần

tỷ Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạo sợi bằng phương pháp MCVD.Các phương pháp chế tạo sợi khác cho phép làm giảm thấp hơn nữa hàm lượng nước là VAD, VPAD cho phép

tạo ra sợi có sự tập trung ion dưới 0,8 ppb.Với mực tạp chất này, đường cong suy hao sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và khe suy hao nữa, kết quả này tạo ra suy hao sợi nhỏ hơn 0.2 dB/km tại bước sóng 1550 nm.

6.2.5.1.3.Suy hao do bước sóng

Hấp thụ vật liệu: Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy haonhỏ hơn, quan điểm này là hoàn toàn chính xác Nhưng các liên kết nguyên tử lại có liênquan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dai, trường hợp này gọi là hấp thụvật liệu Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bướcsóng sử dụng nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở đây nó kéo cho tớivùng bước sóng 1550 nm làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cáchđáng kể

Hấp thụ cực tím: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kíchthích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cóa hơn (mặc dù đây làmột dạng của hấp thu vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong phạm vi nguyên tử,quan điểm này chính xác hơn là trong phạm vi phân tử) Lúc này bờ cực tím của các dảihấp thụ điện tử của cả hai vật liệu khong kết tinh và kết tinh sẽ có quan hệ như sau:Α uv

= CeE/E0 Gọi là luật UrBach, trong đó C và E0 là các hằng số rút ra từ kinh nghiệm và

E là năng lượng photon Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng λ, cho nên đặc tính hấp thụ cựctím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng Suy hao cực tím là nhỏhơn so với suy hao do tán xạ trong vùng gần hồng ngoại Đối với dioxit Silic, đỉnh hấpthụ của nó vào khoảng 0.14 µm, tuy nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1µm, vì vậycũng gây ra lượng suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn

6.2.5.1.4.Suy hao do tán xạ tuyến tính

Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợigây ra Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúchoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Như vậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ baogồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mật độ trung bình

Ngoài ra, do thủy tinh được tạo ra từ vài loại oxitnhư SiO2, GeO2 và P2O5 chonên sự thay đổi thành phần có thể xảy ra Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiếtsuất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán Reyleigh Tán xạ Reyleigh chỉ có ý nghĩakhi bước sóng của ánh sáng cùngcấp với kích thước của cơ cấu tán xạ

Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần tư công suất của bước sóng, và

vì thế hệ thống làm việc ở bước sóng dài sẽ được quan tâm ngày một nhiều Việc diễngiải suy hao do tán xạ gây ra khá phức tạp do bản chất ngẫu nhiên của phân tử và cácthành phần oxit khác nhau của thủy tinh

6.2.5.1.5.Suy hao do uốn cong

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) của sợi Khibất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định

thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lantruyền trong lõi sợi đã bị suy hao Có hai loại uốn cong sợi là:

 Uốn cong vĩ mô:là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơnđường kính sợi, chẳng hạn trong trường hợp ta uốn sợi theo một góc nào đó

 Uốn cong vi mô:là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này hay xảy

ra trong lúc sợi được bọc thành cáp

6.2.5.1.6 Các loại suy hao khác

Suy hao do lớp vỏ và lõi: Dựa vào việc đo suy hao truyền dẫn trên sợi quangtrong thực tế, có thể xác định đồng thời tất cả các suy hao do tán xạ và các suy hao khác

Vì lõi và lớp vỏ có chiết suất khác nhau nên nhìn chung chúng có hệ số suy hao khácnhau

Suy hao do hàn nối sợi: Các bộ nối để nối hai đầu của sợi quang với nhau trên cáccổng cuối của thiết bị Đặc tính quan trọng của bộ nối là phải gắn với lõi với mức độchính xác cáo, cụ thể làm tâm của hai lõi không được lệch nhau quá phạm vi cho phép vàkhe hở hai đầu của sợi phải thật bé phản xạ nhỏ nên suy hao phải thật bé

Ngoài ra còn có thêm suy hao khi nối hai sợi có lõi khác nhau, suy hao do nối haisợi có góc mở khóc nhau, suy hao do đặt lệch sợi và sợi không đồng tâm, suy hao gây ra

do mặt cắt của hệ số khúc xạ không đối xứng, suy hao do khoảng cách giữa hai đầu củasợi đặt xa nhau, suy hao do hai đầu của sợi có góc nghiêng, suy hao do phản xạ Frenel

6.2.5.2.2.Ảnh hưởng của tán sắc

Khi truyền tính hiệu số trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng các xung ánh sáng trong miền thời gian, thay đổi hình dạng xung, kết hợp với xung trước và xung sau của nó

Khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm và gây ra hiện tượng dịch pha.Độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang bị giới hạn.Các xung có thể đượcphân cách bằng các khoảng trống khi nó đi ra khỏi nguồn sáng nhưng điều này sẽ làm giảm tốc độ bit

6.2.5.2.3.Tán sắc mode

Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lượng ánh sáng phân thành nhiều mode.Mỗi mode lan truyền với vận tốc khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau.Chính sự khác nhau về thời gian lan truyền của các mode gây ra tán sắc mode.Và tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode, không có trong đơn mode

Hình 6.2.10.Các mode trong sợi quang

Tia 1: là tia ngắn nhất, đi trùng với trục sợi quang

Tia 2: là tia dài nhất, ứng với góc tới bằng góc giới hạn

6.2.5.2.4.Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode

Tán sắc sắc thể gây ra do sự phụ thuộc của tốc độ nhóm vào bước sóng nhóm củatín hiệu và làm cho thời gian tới của cac thành phần có bước sóng khác nhau không nhưnhau Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng:

Tán sắc vật liệu: là do các bước sóng khác nhau từ nguồn quang và truyền với tốc

độ khác nhau do sự thay đổi các chỉ số khúc xa theo bước sóng

Tán sắc ống bán dẫn: là do sự phụ thuộc không tuyến tính của hằng số chuyền lanvào tần số bước sóng trong ống dẫn quang

6.2.5.2.5.Tán sắc phân cực

Mặc dù gọi sợi quang là đơn mốt nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mốt sóngđược gọi chung cùng 1 tên Các mode này là các sóng điện từ được phân cựctuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông gốc với

nhau.Nếu chiết suất của sợi quang là không như nhau trên phương của hai modetrên, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra.

Hình 6.2.11.Đồ thị tán sắc phân cực

Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợiquang cho nên thời gian trễ nên mỗi sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hướng khử lẫnnhau

6.2.5.3 Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do sự thay đổi hệ số khúc xạ trong sợi

và hiện tượng tán xạ không đồng thời

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vàocường độ ánh sáng (công suất)

Có 2 loại hiệu ứng phi tuyến:

+ Loại thứ nhất: phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với cácphonon

+ Loại thứ hai: sinh ra do sự phu thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường, tỉ

lệ với bình phương biên độ điện trường

Hình 6.3.1 Cấu tạo nguyên tử

Các mức năng lượng này là không liên tục Một điện tử chỉ có thể mang một trong cácmức năng lượng rời rạc này Khi điện tử thay đổi trạng thái năng lượng thì nó sẽ chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi quay quanh hạt nhân

Hình 6.3.2 Các mức năng lượng

Trong biểu đồ mức năng lượng, trạng thái năng lượng thấp nhất của điện tử được gọi

là trạng thái nền Đây là trạng thái ổn định của điện tử Các trạng thái năng lượng cao hơn củađiện tử được gọi là các trạng thái kích thích, được biểu diễn bằng các mức năng lượng … Cácmức năng lượng này không liên tục và cách nhau một khoảng năng lượng được gọi là dải cấm năng lượng

Trạng thái nềnDải cấm năng lượng Năng lượng E (eV)

6.3.1.2 Các nguyên lí biến đổi quang điện:

Quá trình biến đổi quang điện trong thông tin quang được thực hiện dựa trên 3 hiện tượng: hấp thu, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích

 Quá trình hấp thụ: Xảy ra khi một photon năng lượng hf hấp thụ một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1 Quá trình xảy ra khi năng lượng hf của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao với năng lượng thấp Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao

Hình 6.3.3 Quá trình hấp thụ

 Quá trình tự phát: xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử

Hình 6.3.4 Quá trình tự phát

hf

hf

 Quá trình phát xạ kích thích: xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu

Hình 6.3.5 Quá trình phát xạ kích thích 6.3.1.3 Vùng năng lượng:

- Trong chất bán dẫn, các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhau được gọi là: vùng hóa trị và vùng dẫn

+ Vùng hóa trị là vùng năng lượng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bềnvững của điện tử Các điện tử luôn có xu hướng chuyển về vùng hóa trị sau mộtkhoảng thời gian sống ở vùng dẫn

+ Vùng dẫn là vùng năng lượng cao hơn của các eletron Sự dẫn điện của chất bán dẫnđược thực hiện bởi các điện tử nằm ở vùng dẫn này

hf (cùng hướng) hf

Hình 6.3.6 Các vùng năng lượng

6.3.1.4 Các tiếp giáp pn:

- Tiếp giáp p-n được tạo nên nhờ việc cho tiếp xúc giữa bán dẫn loại p và bán dẫn loại n

- Khi một tiếp giáp p-n được hình thành, các hạt tải đa số sẽ khuếch tán qua nó làm cho các điện tử lấp vào các chỗ trống bên phía p của tiếp giáp và sinh ra các lỗ trống bên phía n làm xuất hiện một điện trường đặt ngang qua tiếp giáp Các điện tử và lỗ trống tạo thành cấu trúc liên kết đồng hóa trị tạo thành một vùng nghèo