Công nghệ truyền dẫn SDH

Như chúng ta đ• biết thông tin quang học đ• có từ lâu đời. Cho tới thế kỷ 18 thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu,...... Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau: Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đ• xây dựng một hệ thống điện báo quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đ• chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần. Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí. Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng. Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang. Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đ• thành công. Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện. Năm1966 Charles H. KaoVà George A. Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( ? ? 1000dB/km). Năm 1970 h•ng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km. Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ. Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng r•i. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.

Mở đầu

quang

Chơng I: Sơ lợc về hệ thống thông tin quang 6

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 6

1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 7

1.3 ứng dụng và u nhợc điển của hệ thống thông tin quang 8

Chơng II: Các thành phần của hệ thống thông tin quang quang

2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn 9

2.1.1 Cơ sở quang học 9

2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 10

2.1.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 11

a/ Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc b/ Dạng dịch độ tán sắc c/ Dạng san bằng tán sắc 2.1.4 Sợi đơn mode và sợi đa mode 14

2.2 Các thông số của sợi quang 15

2.2.1 Suy hao trong sợi quang 15

2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao 15

a/ Suy hao do hấp thụ b/ Suy hao do tán sắc c/ Suy hao do uốn cong 2.2.3 Tán sắc 19

a/ Địng nghĩa tán sắc b/ Các nguyên nhân gây tán sắc 2.3 Cấu trúc sợi quang 22

2.3.1 Lớp phủ 23

2.3.2 Lớp vỏ 23

a/ Dạng ống đệm lỏng b/ Dạng đệm khí c/ Dạng băng dẹt 2.4 Các linh kiện biến đổi quang 25

2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang 25

2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang 25

a/ Đối với nguồn quang b/ Đối với linh kiện tách sóng quang c/ Nguyên lý chung 2.4.3 Nguồn quang 28

a/ Nguyên lý chung b/ Diot LED c/ Diot LASER (LD) 2.4.4 Tách sóng quang 32

1 Nguyên lý chung 32

2 Những thông số cơ bản 33

a/ Hiệu suất lợng tử b/ Đáp ứng c/ Độ nhậy d/ Dải rộng e/ Tạp âm 3 Diot thu PIN 35

4 Diot thu APD 37

Đồ án tốt nghiệp 1 SV: Nguyễn Hữu Anh

5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 38

2.5 Hàn nối sợi quang 39

2.6 Hệ thống thông tin quang 41

1 Khái niệm 41

2 Cấu trúc hệ thông tin quang 42

3 Mã hoá hệ thông thông tin quang 45

2.7 Thiết kế tuyến thông tin quang 48

1.Yêu cầu 48

2.Tính toán thiết kế 49

3.Ví dụ tính toán 52

Phần II: Công nghệ truyền dẫn SDH ChơngI: Sơ lợc về công nghệ truyền dẫn 55

1.1 Kỹ thuật điều chế xung mã 55

1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM 55

1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM 56

a/ Lấy mẫu b/ Lợng tử hoá c/ Mã hoá 1.2Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58

1.2.1 Khái niệm về thông tin nhiều kênh 58

1.2.2 Ghép kênh nhóm sơ cấp và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58 1.2.3 Hệ thống PCM cấp I 59

ChơngII: Công nghệ truyền dẫn SDH 61

2.1 Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH (Pleosynchronous Digital Hierarchy) 61

2.2 Định nghĩa SDH(Synchrônous Digital Hierarchy) và sự cần thiết của nó 62

2.3 Cấu trúc khung SDH 65

1 Cấu trúc ghép cơ bản 65

2 Cấu trúc khối 67

a/ Container C b/ Container ảo c/ Cấu trúc các VC d/ Đơn vị luồng TU e/ Nhóm đơn vị luồng TU f/ Các đơn vị quản lý TU g/ Nhóm các đơn vị quản lý AUG h/ Cấu trúc khung i/ Cấu trúc khung STM-N Chơng III: Mạng SDH 84

1.1 Các vùng mạch SDH 84

1.1.1 Đờng dẫn 84

1.1.2 Vùng ghép kênh 84

1.1.3 Vùng lặp 84

3.2 Hai thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ 85

3.2.1 Các hệ thống đờng dây và thiết bị nối chéo bậc cao 85

a/ Các hệ thống đờng dây

b/ Các thiết bị nối chéo bậc cao

3.2.2 Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp 85

a/ Truy suất và ghép b/ Hệ thống kết nối chéo bậc thấp 3.3 Kết nối chéo DDC 86

3.4 Mạng 87

3.5 Mạng vòng ring SDH 87

3.5.1 Vòng ring một hớng tự bảo vệ cho vùng dẫn 87

3.5.2 Mạng vòng ring hai hớng 88

3.5.3 Bảo vệ theo đờng truyền 88

3.5.4 Mạng vòng tự phục hồi một hớng tự bảo vệ luồng 89

3.5.5 Mạng vòng tự phục hồi một hớng theo đoạn 89

3.5.6 Mạng vòng tự phục hồi hai hớng theo đoạn 89

3.6 Mạng ring trong ba vùng ứng dụng của ALCATEL 90

Kết luận

Thuyết minh đồ án

 Đồ án của em chia làm 2 phần

- Phần I: Tổng quan về hệ thông tin quang

- Phần II: Công ghệ truyền dẫn SDH

 Trong phần I gồm có 2 chơng:

- Chơng I: Sơ lợc về hệ thông thông tin quang

ở chơng này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và u nhợc điểm của nó

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

Chơng II em nghiên cu về lý thuyết trung về truyên dẫn

+ Các thông số của sợi quang bao gồm:

Suy hao trong sợi quang

Các nguyên nhân gây suy hao

Tán sắc

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

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

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

+ Hệ thống thông tin quang gồm có cấu trúc hệ thống thông tin quang và mã hoá hệ thống thông tin quang

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

 Phần II: gồm có 3 chơng

- Chơng 1: Sơ lợc về công nghệ truyền dẫn

Trong chơng này em nghiên cứu

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

Đồ án tốt nghiệp 3 SV: Nguyễn Hữu Anh

+ Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam: ghép kênh nhóm sơ cấp và hệ thống PCM cấp 1.

- Chơng 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH

Trong chơng này em nghiên cứu

Hệ thống đờng dây và thiết bị nối chéo bậc cao

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

Bảo vệ theo đờng truyền

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

Mạng vòng ring tự phục hồi một hớng theo đoạn

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

Phần I : Tổng quan về hệ thống thông

tin quang

quang.

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

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

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

Năm 1790 Claude Chappe- kỹ s ngời Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó.Tốc độ thông tin đợc truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý ngời Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền đợc theo ống nớc uốn cong Việc truyền ánh sáng trong ống nớc uốn cong là

sự ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần

Năm 1880 Alexander Graham Bell ngời Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng đợc truyền qua môi trờng không khí Nhng vì môi trờng không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này cha đợc sử dụng

Năm1934 Noman R.Funch- kỹ s ngời Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi ờng truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang

tr-Năm 1960 Theodor H.Maiman đa laze vào hoạt động và đã thành công

Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện

Năm1966 Charles H KaoVà George A Hockhan ngời Anh dùng sợi thuỷ tinh

để truyền dẫn ánh sánh Sợi thuỷ tinh đợc chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( 

1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang.

Đồ án tốt nghiệp 5 SV: Nguyễn Hữu Anh

Trặm lặp trên đờng truyền

Tín hiệu ra

Biến đổi Biến đổi

Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn

- Theo sơ đồ hệ thống ta có:

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

+ Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đa vào hệ thống + Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu đệm đợc biến đổi thành cờng độ quang, các tín hiệu điện “0” và “1” đợc biến đổi ra ánh sáng tơng ứng dạng “không” và “có” Sau đó tín hiệu quang đợc đa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang nh:LED, laserđioe + Trạm lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy để truyền đợc tín hiệu đi xa cần có trạm lặp Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu Sau đó đa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có tr ặm lặp Tín hiệu Tín hiệu KĐ Cáp quang Cáp quang Sơ đồ khối trặm lặp 1.3 ứng dụng và u nh ợc điểm của hệ thống thông tin quang.  Những ứng dụng của sợi quang - Sợi quang đợc ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác - Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay + Mạng đờng trục xuyên quốc gia + Đờng trung kế + Đờng cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia) + Đờng số liệu Nguồn tín hiệu Phần tử điện E O E O E O E O Phần tử điện O E

O E

- Sợi quang có đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ.

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

- Tính cách điện cao, không gây chập cháy

- Dễ lắp đặt, bảo dỡng, uốn cong

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

 Nhợc điểm

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

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

- Thiết bị tốn kém

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

2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn.

2.1.1 Cơ sở quang học.

Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tợng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bớc sóng từ (800 – 1600)nm Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm

Định luật Snell: n1Sin =n2 Sin.

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

 Góc phản xạ bằng góc tới

=’

*Góc khúc xạ đợc xác định theo định luật Snell

n1Sin =n2 Sin

Trong đó: n1 : chiết suất môi trờng 1

n2 : chiết suất môi trờng 2

Khi n1>n2 thì  >  nếu tăng  thì  cũng tăng theo và  luôn lớn hơn  khi 

= 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì  đợc gọi là góc tới hạn T Nếu tiếp tục tăngcao cho >T thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tợng này gọi làhiện tợng phản xạ toàn phần

Dựa vào định luật Snell ta có thể tính đợc góc tới hạn T:

SinT = 12

n

n hay T=artsin 12

n n

2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn

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

Tia sáng thâm nhập tao nên một góc  với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra

ánh sáng Tia sáng phải đi qua môi trờng không khí có nk = 1 rồi vào ruột sợi có

Tia khúc xạ1’

Tia phản xạ1’

n1> nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ  Sự phản xã toàn phần chỉxẩy ra với những tia có góc tới  < max.

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

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

Sinmin = n n12 và min đảm bảo đIều kiện toàn phần

Do đó:

NA = sin max= n2 -n2 =n1 

Với  là sự khác nhau về chiết suất

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

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

2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang.

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

n2[1-(r/a)g ] với r  a (trong lõi)

g = 1: dạng tam giác

g = 2: dạng parabol

g =  : dạng nhẩy bậc (SI: Step-Index).

Đồ án tốt nghiệp 9 SV: Nguyễn Hữu Anh

g = 

g=1 g = 2

- Sợi quang có triết suất nhẩy bậc

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

Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc:

v =

1

n V

Trong đó n1 không đổi mà chiều dài đờng truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tợng khi đa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợilại nhận đợc một xung ánh sánh rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tợng tán sắc do độtán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài đợc

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

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

Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có triết suất nhẩy bậc (SI)

Sự truyền ánh sáng trong sợi GIn(r)

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

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

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiều tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm

đảm bảo độ chênh lệch triết suất nhng có triết suất lõi n1 không cao

b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b):

Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bớc sóng gần 1300nm Ngời ta

có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất nh hình b

c/ Dạng san bằng tán sắc (Hình c):

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

2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode.

 Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m)

- Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đờng kính d = 2a = 50m

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

Đồ án tốt nghiệp 11 SV: Nguyễn Hữu Anh

Đ ờng tuyến ánh sángMặt cắt triết suất

d

a/ Sợi SI-MM

n1

n2

Kích thớc sợi dây mode theo tiêu chuản CCITT (50/125 m)

*Sợi đơn mode (SM: single Mode)

Các thốngố của sợi SM thông dụng là:

- Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đờng kính d = 2a = 9 đến 10m

- Vỏ: có triết suất n2<n1: đờng kính D = 2b = 125m

- Độ chênh lệch triết suất tơng đối:

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bớc sóng =1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thớc lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thớc của các linh kiện quang cũng phải tơng ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phảicó độ chính xáccao Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng đợc do đó sợi đơn mode đang đợc

sử dụng rất phổ biến

n2  = 0,3%

2.2 Các thông số của sợi quang.

2.2.1 Suy hao trong sợi quang.

- Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lợng ánh sáng khi truyền

ánh sáng trong sợi quang

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

P(L) = P(1).10 

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

P(1): công suất đầu sợi (L=0)

 : hệ số suy hao

- Suy hao của sợi quang đợc tính theo công thức

A = log P P12 (dB) với P2<P1

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

P2: Công suất quang đa vào cuối sợi quang

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

 = L A (dB/Km)

Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB]

L: Chiều dài sợi quang [Km]

2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao.

a/ Suy hao do hấp thụ (Hình a,b,c).

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

- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lợng tạp chất

và bớc sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Để có đợc sợi quang có độ suy hao dới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ ánh sáng Mức độ hấp thụ năng lợng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bớc sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Nh vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang

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

- Do tán xạ Rayleigh: Hiện tợng này xẩy ra do sợi quang sau khi chế tạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh Khi kích thớc của vùng không

đồng nhất bằng 1/10 thì chúng trở thành những nguồn, điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiều hớng, chỉ còn một phần năng lợng ánh sáng tiếp tục truyền theo hớng cũ, phần còn lại

truyền theo hớng khác

- Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bớc sóng (-4) nên giảm rất nhanh về phia bớc sóng dài nhng nó ảnh hởng

đáng kể ở bớc sóng ngắn

- ở bớc sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng từ 1

đến 2 dB ở  = 1300nm suy hao là 0,3dB/km Còn ở  = 1550nm suy hao nhỏ nhất Hiện tợng tán xạ Rayleigh còn đợc áp dụng trong kĩ thuật

đo lờng, trong các máy đo quang

- Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện tợng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vỏ

do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần

c/ Suy hao do uốn cong (Hình 2).

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

600

500

400

300

200

100

Đồ án tốt nghiệp 14 SV: Nguyễn Hữu Anh

500 600 800 1000 1200 1400 1600

0

c/ Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

(dB/km)

nm

600 800 1000 1200 1400 1600

3 2 1 0

(dB/km)

nm

600 800 1000 1200 1400 1600

3 2 1 0

(dB/km)

nm

b/ Độ hấp thụ OH

600 800 1000 1200 1400 1600

100 10 1 0.1 0.01

nm

hấp thụ hồng ngoại

hấp thụ cực tím

600 800 1000 1200 1400 1600

100 10 1 0.1 0.01

nm hấp thụ hồng ngoại

hấp thụ cực tím

0 T T

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

Đồ án tốt nghiệp 15 SV: Nguyễn Hữu Anh

(db/km)

-1010,1

2

b C¸c nguyªn nh©n g©y t¸n s¾c.

- T¸n s¾c Mode: chØ xuÊt hiÖn ë sîi damode C¸c thµnh phÇn ¸nh s¸ng lantruyÒn nhê c¸c mode riªng rÏ víi thêi gian kh¸c nªn cã sù chªnh lÖch thêi gian,sinh ra mÐo xung D¹ng xung ®Çu vµo m¸y thu phô thuéc 2 yÕu tè chÝnh:

+ Thµnh phÇn c«ng suÊt tõ nguån tõ nguån ph¸t quang ghÐp vµo sîi

+ Sù ph©n bè c¸c m¹ch mode truyÒn dÉn trªn sîi quang víi lo¹i sîi SI - MM

+ Tia 1: Tia dµi nhÊt

1 D cos

2 1

d 

+ Tia 2: tia ng¾n nhÊt d2 = L

Thêi gian truyÒn cña tia 1:  1 = d1/V

(Víi V lµ vËn tèc ¸nh s¸ng truyÒn trong lâi sîi V = C/n1)

mµ cos  1 - sin  c =

2

1 n

n nªn

2

2 1 1

Cn

Ln

t Thêi gian truyÒn cña tia 2:

C

Ln n

/ C

L V

2

2 1 2

1

n

n n n C

L C

Ln Cn

Ln t

1

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

n L

t D

2 1 e

+ Tán sắc vật liệu: là hiện tợng do ánh sáng truyền trong sợi quang không phải

là đơn sắc mà là đa sắc Mỗi bớc sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác cho nên vận tốc truyền khác

Tán sắc do vật liệu đợc xác định bởi:

2

2 mod

) (

D e   

)

(

n  : triết suất lõi sợi

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

Đồ án tốt nghiệp 17 SV: Nguyễn Hữu Anh

+ Tóm lại: tán sắc xảy ra trong sợi quang bao gồm tán sắc mode và tán sắc thể Sợi quang mode chỉ có tán sắc thể vì trong sợi quang đơn mode chỉ truyền một

tia sáng cho nên không có tán sắc mode xẩy ra

Ddchr: chromatic dispersion.

2.3 Cấu trúc sợi quang.

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

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

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

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Cấu trúc sợi quang.

2.3.1 Lớp phủ

Có tác dụng bảo vệ sợi quang

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nớc

Tán sắc của các loại sợi

Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi Lớp phủ này đợc nhuộm màu và thêm các vòng đánh dấu.

Thông thờng đờng kính lớp phủ thứ nhất là 250m đối với sợi có đờng kính lớp bọc là 125 m

2.3.2 Lớp vỏ.

Có tác dụng tăng cờng sức chịu đựng của sợi quang trớc các tác dụng có bọc

và sự thay đổi nhiệt độ

- ống đệm lỏng thờng gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang

di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trớc

ảnh hởng cực cơ học Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn lỏng không cần chất nhồi nhng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tính chất sau:+ Có tác dụng ngăn ẩm

+ Có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp.+ Để tẩy, sạch khí cần hàn nối

Để đảm bảo vệ sợi quang dới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọcmột lớp vỏ ôm sát lớp nh Phơng pháp này làm giảm đờng kính của lớp vỏ do đógiảm kích thớc và trọng lợng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hỏng trực tiếpkhi cáp bị kéo căng, để giảm ảnh hởng này ngời ta chèn thêm một lớp đệm mềm ởgiữa lớp phủ và lớp vỏ Hình thức này gọi là cấu trúc đệm tổng hợp Sợi quang có

Nhợc điểm: Có nhợc điểm giống nh cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu

ảnh hởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng

Cấu trúc băng dẹt.

2.4 Các linh kiện biến đổi quan

2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang.

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

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

của nó.

- Linh kiện biến đổi tín hệu quang thành tín hệu điện gọi là linh kiện thu quang nó tạo ra dòng điện có cờng độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó Chất lợng các linh kiện này vào chất lợng của sợi quang quyết định chất lợng, cự ly của tuyến truyền dẫn quang

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

a Đối với nguồn quang.

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

* Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát:

- Bớc bóng nguồn phát phù hợp với bớc sóng thông dụng nh: 850nm, 1300nm,1550nm

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

- Góc phát sáng càng nhỏ càng tốt

- Thời gian truyền: Để truyền tốc cao thời gian chuyển trạng thái phải nhanh

- Đổ ổn định: Máy phát quang phải có công suất ổn định mới đảm bảo độ trung thực của T/h

- Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ

b Đối với linh kiện tách sóng quang.

- Bớc sóng: Đối với bớc sóng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm

1550nm, phải nhạy

- Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tách đợc các tín hiệu quang thậtnhỏ với số lỗ bịt cho phép độ nhạy càng cao thì có thể mở rộng cự ly thông tin

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

- Dòng tốt nhỏ: khi cha có tách sóng chiều vào nhng linh kiện tách sóng quagvẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng tốt

- Tạp âm: tạp âm càng thấp càng tốt sẽ đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N)

- Độ cậy cao, giá thành hạ

Do đó năng lợng của điện tử chia làm 3 vùng

Đồ án tốt nghiệp 21 SV: Nguyễn Hữu Anh

Eg

EEcEv

+ Nếu vùng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơixuống vùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với cổ trống

Trong khi dịch chuyển từ mức năng lợng cao xuống mức năng lợng thấp, nănglợng chênh lệch đợc bức xạ dới dạng photon Nh vậy khi một điện tử kết hợp vớimột cổ trống có thể làm bức xạ ra một photon đó là hiện tợng phát xạ tự phát đợcứng dụng trong diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang

+ Hiện tợng phát xạ kích thích Là hiện tợng đặc biệt do ánh sáng đợc phát ratrong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang ở vùngdẫn có mức cao năng lợng xuống vùng hóa trị có mức năng lợng thấp tại hợp vớicác lỗ trống phát ra lợng ánh sáng mới Quá trình tái hợp đủ lỗ trống xảy ra liêntục làm cho năng lợng ánh sáng phát ra rất lớn

2.4.3 Nguồn quang

a Nguyên lý chung

Có 2 loại đợc dùng làm nguồn quang

- Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode)

- Diode laser hay LD

Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N Các đặctính kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêng b-

ơcsóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang Mỗichất bán dẫn có bề rộng khe năng lợng Eg khác nhau Mà Eg quyết định tần số và

do đó quyết định bớc sóng của năng lợng ánh sáng phát ra theo công thức

Eg =Hv =

 hc

Hay

) (

24 1

ev g E Eg

c h

Đồ án tốt nghiệp 23 SV: Nguyễn Hữu Anh

Lớp P-Ga As(khuếch tán)

Lớp tiếp xúc

Lớp tiếp xúc P Lớp cách điện (Al2C3

ánh sáng Lớp chống phản xạ

Lớp P-Ga As(khuếch tán)

Lớp N- Ga As (nền)

Cấu trúc LED tiếp xúc bề mặt

- LED Burrus

Đợc chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bándẫn loại N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau Với cấu trúc nhiều lớp vàvạch tiếp xúc P có kích thớc nhỏ vùng phát sóng của diode này tơng đối hẹp Ngoài

bề mặt có khoét đợc để đa quang vào gần vùng ánh sáng

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

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

m Dùng In GAAS/InP thì bớc sóng phát ra dài hơn

- LED phát bớc dài

Một loại LED phát bớc sóng dài (1300mm và 1550mm) dùng bán dẫn In GaASP/InP Dùng lớp nền InP dạng thấu Kính để ghép vào sợi quang

LCD phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emelting diode)

Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng không thểphát ra phía 2 mặt đợc mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớp tích cựcrất mỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 lớp PN có triết suất nhỏ hơn Cấutrúc nh vậy giống nh cấu trúc sợi quang Nên khi một trong 2 đầu ống dẫn sóng đợcnối với sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất phép ánhsáng, vào sợi quang cao Tuy nhiên nó cũng có hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ

Đồ án tốt nghiệp 25 SV: Nguyễn Hữu Anh

Lớp P+ Al Ga As

Vùng phát sáng

Lớp P+ - lua AsP

Lớp tiếp xúc N Lớp N - InP nền )

Lớp cách điện Al

2O

3 Lớp P-- lgna AsP

Lớp chống phản xạ

Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt

của ELED tăng khá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt

Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản

Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích

Quá trình dao động dựa trên đặc tính của hộp cộng hởng cho ra phổ bớc sónggiới hạn hẹp đến mức tối đa

Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơn hẳnLED nhng do cấu tạo cũng nh hoạt động phức tạp hơn Quá trình phát xạ tự phátcủa LD giống LED Tuy nhiên mặt sau của LD đợc phủ một lớp phản xạ rất cao99% còn mặt trớc đợc cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánh sáng phát ra lantruyền nh đang đợc khuyếch đại sẽ đập vào mặt gơng phản xạ, một phần bức xạ rangoài, Một phản xạ lại hớng đột diện, ánh sáng lại đợc phản xạ tơng tự mặt gơng

Bán dẫn loại NLớp tích cực Bán dẫn loại N

Lớp tiếp xúc PCách điện

đối diện Bằng cách này trong khi lặp lại quá trình phản hồi (1 phần ánh sáng đợckhuyếch đại sẽ đợc kết hợp với ánh sáng đầu vào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa).Khi dòng vào đủ lớn năng lợng đợc khuếch đại bằng phát xạ cơng bớc trở nên lớnhơn suy hao do điện tử hấp thụ ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ Tạithời điểm đó bắt đầu dao động và tạo ánh sáng laser Dòng tại đó gọi là dòng ng-ỡng Dòng ngỡng phải nhỏ để tránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt

động liên tục ở công suất cao

Xét về hốc cộng hởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gơng phẳngsong song phản xạ ánh sáng Hốc cộng hởng có nhiệm vụ tạo ra một dao động cótần số nhất định Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên độ phức,nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúng với biên độ

sử dụng hiện nay:

- PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là 2lớp bán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha với nồng độrất thấp

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

động ở tốc độ cao

Nguyên lý chung của chúng về cơ bản giống nhau ở chỗ ánh sáng đa vào miềntiếp giáp P-N đợc phân cực ngợc tạo ra trong đó các tạp chất điện tử là trống đểdịch chuyển nhờ điện trờng ngạch tạo ra dòng quang đi

Sự hình thành các vùng khuếch tán điện tử và cổ trống của tiếp giáp P và N

Đồ án tốt nghiệp 27 SV: Nguyễn Hữu Anh

Bán dẫn P Vùng hiểm Bán dẫn N

Photo

Vùng trời

EvEc

khi phân cực ngợc Dới tác dụng của điện trờng bên ngoài điện tử là hạt tải điệnthiểu số bên P và N cổ trống là hạt tải điện thiếu số bên N chuyển qua P tạo thànhdòng quang điện trên mạch ngoài Cờng độ ánh sáng quyết định số lợng các hạt tải

điện đợc tạo ra

nph là số lơng photon hấp thụ

Mỗi chất bán dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức sóng ánh sáng nhất định vìhiệu suất lợng tử của từng chất bán dẫn thay theo bớc sóng của ánh sáng

Ioph: Công suất quang có đơn vị là W

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

24 , 1

) m ( hc

e

d Dải động

Là khoảng cách chênh lệch giữa mức công suất quang cao nhất và mức côngsuất quang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu đợc trong một giới hạn tỉ số

lồi BER theo tiêu chuẩn

T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k

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

- Tạp âm dòng tời là dòng điện chạy qua PIN khi cha có ánh sáng chiếu vào

nó tạp âm do dòng tời đợc tính bởi công thức

ID2 =2e.iD.B

ID là dòng tời của diode phát quang

3 Diot thu PIN

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

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

Đồ án tốt nghiệp 29 SV: Nguyễn Hữu Anh

Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện (SiO

2)Lớp chống phản xạ P

I

N

Tiếp xúc kim loại

ánh sáng

Cấu tạo của Mode thu quang PIN.

IS: Dòng bão hòa của diode

4 Diot thu APD.

ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bán dẫn ngời ta chế tạo APD gồm 3 lớplà: P+, P-, PN-; Trong đó P+, PN- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao còn P- làlớp có nồng độ tạp chất thấp

Dới tác dụng của nguồn phân cực ngợc quá trình nhân điện tử xảy ra trongvùng tiếp giáp PN- là cao nhất Vùng này gọi là vùng thác lũ Khi có ánh sángchiếu vào các photon đợc hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Lỗtrống di chuyển về phía lớp P+ nối cực âm của nguồn còn điện tử di chuyển về phía

tiếp giáp PN- Điện trở cao trong vùng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử Điện tử vachạm vào các nguyên tử của tinh thể bán dẫn tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới.Quá trình tiếp diễn và số lợng các hạt tải điện tăng lên rất lớn Nh vậy trong APDdòng quang điện đã đợc nhân lên M lần với M là số điện tử thứ cấp phát sinh ứngvới một điện tử sơ cấp.

Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là:

Iph = R M Popt

Trong đó: M: hệ số nhân

R: Đáp ứng (A/w)

Popt: Công suất quang (w)

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

Ngoài ra, nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số M cũng càng lớn Nhng lúc đóthời gian trôi của điện tử càng chậm nên tốc độ hoạt động của APD giảm

Giá trị của hệ số nhân M từ 10  1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phâncực cho APD sao cho M = 50  200 lần vì M càng lớn thì dòng nhiễu của APDcũng càng cao

Cấu tạo của một APD

5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD.

- Độ nhạy: Độ nhạy của APD lớn hơn độ nhạy của PIN từ 5  15dB, tuynhiên nếu dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhạy của PIN - FET gần bằng độ nhạy

Đồ án tốt nghiệp 31 SV: Nguyễn Hữu Anh

ánh sángCấu tạo APD nhóm III - V

của APD.

- Điện áp phân cực: Điện áp phân cực của APD lớn hơn điện áp phân cực củaPIN (APD khoảng Hà Nộiàg trăm vôn, PIN không dới vài chục vôn)

- Dải động: Dải động của APD lớn hơn dải động của PIN và có thể điều chỉnh

đợc bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M

- Dòng tối của APD lớn hơn dòng tối của PIN

- Độ ổn định khi làm việc của APD nhỏ hơn PIN vì hệ số nhân của APD vừaphụ thuuộc điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ

* Ưu điểm của 2 loại tách sóng quang PIN và APD trái ngợc nhau khônggiống nh hai loại nguồn quang LED và Leser

Đặc tính kỹ thuật của leser tốt hơn LED về nhiều mặt trong khi đó APD chỉhơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc Các mặt hạn chế của APD là:

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

- Dòng nhiễu lớn

- Điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao

- Giá thành cao

Do đó APD và PIN đều tồn tại song song Có thể khắc phục đợc các nhợc

điểm của PIN bằng cách dùng kết hợp PIN với một transistor trờng (FET)

Trong mạch khuếch đại Nếu linh kiện kết hợp này đợc gọi là PIN - FETchúng đợc sử dụng khá phổ biến trong cácd hệ thống thông tn quang hiện nay, độnhạy của PIN - FET có thể so sánh đợc với APD

2.5 Hàn nối sợi quang.

1 Các yêu cầu nối.

Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phơng tiện chuyển cũng nh trong quátrình lắp đặt và vận hành hệ thống thông tin quang, việc hàn nối giữa các sợi quangvới nhau hoặc giữa các sợi quang với linh kiện thu - phát đóng một vai trò quantrọng Hàn nối tốt cũng làm giảm suy hao đờng truyền hàn nối sợi quang gồmnhững phơng pháp sau:

-+ Hàn nối bằng hồ quang.

+ Dùng bộ nối tháo rời và bộ nối không tháo rời

Những phơng pháp chính hiện nay là hàn nối bằng hồ quang gồm các bớc nhsau:

a

Quá trình hàn nối sợi

a Dùng hóa chất để tẩy và tách sạch lớp vỏ bảo vệ của 2 sợi quang cần nối kẹp 2 đầu lên bộ giá đỡ.

b Điều chỉnh cho 2 đầu sợi dây gần nhau (bằng 10% đờng kính lõi)

c Đóng mạch tia lửa điện Quá trình này xảy ra tự động thời gian phóng điện

đợc tính toán sao cho phù hợp với từng loại sợi và kích thớc của sợi

d Nối xong nếu khuyết tật phải cho hàn lại.

e Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối.

Ngày nay các máy hàn đã đợc thiết kế hiện đại, việc hàn nối đã đợc máy hàn

Đồ án tốt nghiệp 33 SV: Nguyễn Hữu Anh

b

c

d

tự động hàn hết các khâu quan trọng Con ngời chỉ thực hiện các động tác đơn giảnnh: tách sợi, tẩy bỏ lớp bảo vệ, bọc mối nối, hàn nối vỏ gia công chịu lực bảo vệcác mối nối Do đó tiêu hao mối hàn nối rất thấp.

Máy hàn cũ sản xuất năm 1992 tiêu hao hàn nối:  = 0,2 0,6dB

Máy hàn mới sản xuất năm 1995: tb = 0,038dB

Trong thực tế thờng chấp nhận:  = 0,1dB

Sau đây là một vài ví dụ suy hao do mối hàn của máy Furukawa - S5147S củaNhật

Phân bố suy hao của mối hàn (sợi đa mode)

n: Số mối hàn

AVG: Suy hao trung bình

 : Suy hao trên một mối hàn

2.6 Hệ thống thông tin quang.

1 Khái niệm.

Một hệ thống thông tin quang bao gồm:

- Linh kiện phát quang ở phần phát

- Cáp quang

- Cáp bộ nối

- Các thiết bị tiếp vận và các thiết bị ghép kênh

- Chỗ hàn nối

- Linh kiện thu quang ở phần thu

Các hệ thống đang sử dụng hiện nay thuộc loại điều chế và tách sóng quangtrực tiếp, không thông qua một giai đoạn biến đổi tần số quang nào Và truyền T/h

số (Digital) xd T/h điều chế xung mã PCM qua các bớc ghép kênh số cấp cao đểtận dụng khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang Để mở rộng dải thông tintruyền dẫn và kéo dài cự ly tiếp vận các phần tử sau đợc chọn:

Số mối hàn (n)

Suy hao (dB)

038,0AVG

100n

021,0

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

- Sợi quang loại dơn Mode SM, hoạt động ở bớc sóng 1300nm hoặc 1550nm.

- Nguồn quang: Sử dụng laser đơn mode

- Tách sóng quang: Sử dụng diode quang APD hoặc PIN - FET

2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang.

* Chức năng:

- Hớng phát: Tiếp nhận tín hiệu từ thiết bị ghép kênh đa đến, đổi tín hiệu điệnsang dạng mã thích hợp với đờng dây quang và cho tín hiệu điện kích thích nguồnquang phát ra tín hiệu quang

- hờng thu: Tín hiệu quang đợc chuyển thành tín hiệu điện Sau khi đợckhuếch đại, phục hồi, tín hiệu điện đợc chuyển sang mã thích hợp với thiết bị ghépkênh

* Hớng phát:

+ Sử dụng: Từ đầu vào (ghép kênh) có một chuỗi xung tín hiệu điện đa đến, điqua bộ sử dụng xung, san bằng san khi đã đợc khuếch đại Đồng thời đợc đồng bộ(xác định xung clock)

+ Biến đổi mã: B/v (Bipalar/ Unipolor): Mã truyền dẫn của tín hiệu điện thờng

là mã nhị cực có 3 trạng thái + V, 0, - V không phù hợp với đờng truyền dẫn quang

Là loại chi 2 trạng thái sáng và tối Do đó khối đổi mã chuyển tín hiệu ở mã nhịcực sang mã đơn cực Mã nhị cực thờng dùng là mã HDB3 còn mã đơn cực thờngdùng là mã NRZ

+ Ngẫu nhiên hóa: (SCR: Scramhler): Có tác dụng trộn chuỗi xung một cáchngẫu nhiên theo một quy luật nhất định để tránh sự lặp lại một chuỗi dài các bítgiống nhau Sự sáo trộn này làm cho sự phân bố phổ của tín hiệu cần chuyển động

đều hơn

+ Mã hóa: Lại một lần nữa chuỗi xung đợc đổi sang dạng mã thích hợp với ờng truyền dẫn quang Loại mã này tác dụng tránh tình trạng xuất hiện các nhómbít chứa nhiều bít "1" hoặc "0" liên tiếp đầu thu không nhận đợc Trừ một nhóm bít

đ-để phát hiện lỗi Loại thờng dùng là mã 5B 6B

dùng mã 5B 6B.

Nếu truyền tốc độ 35MB/s thì tốc độ trên đờng dây quang là 42MB/s, 140MB/

s trở thành 168 MB/s Ngời ta có thể dùng 32 tổ hợp để phát hiện lỗi

+ Mạch kích thớc: Tổng hợp dòng điện phân cực và chuyển xung tín hiệu đểkích thích nguồn quang Chuyển từ Uxung -> Ixung

+ Nguồn quang: Linh kiện thờng là laser Công suất phát luôn đợc mạch điềukhiển công suất APC Thăm dò để điều chỉnh dòng phân cực nhằm giữ cho côngsuất quang đợc ổn định

* Hớng thu:

+ Mạch thu quang: Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện sử dụng diodequang sang tín hiệu điện sử dụng diode thu quang có thể là PIN hoặc APD trong đó

có mạch điều khiển khuếch đại

+ Khối khuếch đại: Tín hiệu thu, điều chỉnh đợc bộ khuếch đại để giữ mức tínhiệu ra đồng đều khi tín hiệu vào thay đổi Mạch điều chỉnh bộ khuếch đại AGClàm nhiệm vụ này

+ Mạch phục hồi: Qua đờng truyền ngoài việc biên độ tín hiệu bị suy giảm dosuy hao sợi quang, dạng tín hiệu còn bị méo do tán sắc của sợi Mạch phục hồi cótác dụng khôi phục lại xung và định lại thời gian nhịp của quang

+ Giải mã: Chuyển từ mã 6B về 5B theo quy tắc đã mã hóa ở đầu phát và pháthiện cảnh báo trong bộ giảm sát

+ Giải ngẫu nhiên: Trộn tín hiệu theo quy luật ngợc lại quá trình ngẫu nhiênhóa ở đầu phát

+ Đổi mã: Chuyển từ mã đơn cực sang mã nhị cực sau đó chuyển đến thiết bịghép kênh

+ Tín hiệu nghiệp vụ: Đợc chuyển sang dạng số, đa vào mạch kích thích để

điều chế biên độ tín hiệu quang của luồng tín hiệu chính ở hớng thu tín hiệunghiệp vụ đợc tách ra từ khối khuếch đại

+ Thiết bị ghép kênh: Thiết bị ghép kênh trong hệ thống thông tin quang hiệnnay là thiết bị ghép kênh số tín hiệu đợc biến đổi thành tín hiệu điều chế xung mã(PCM) và ghép kênh theo nguyên tắc phân kênh thời gian (TDM) các tiêu chuẩnPCM đợc dùng hiện nay là:

Tiêu chuẩn Châu Âu (CEPT) tốc độ luồng tín hiệu số cơ bản là 2.048 Mb/sgồm 30 kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s

Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản: Tốc độ luồng cơ bản là 1,54 Mb/s gồm 24kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s

Tiêu chuẩn Đặc trng Cấp bậc

Châu âu Tốc độ bit

Hệ số nhân

Số kênh thoại

1.544 6.312 44.736 274.176 5651.544 4 7 6 2

ở Việt Nam xây dựng hệ thống ghép kênh theo tiêu chuẩn Châu Âu Mộtkênh thoại tiêu chuẩn có phổ giới hạn 0,3  3,4 KHZ đợc chuyển sang dạng số cótốc độ 64 Kb/s Một kênh truyền thanh đợc truyền với tốc độ 384 Kb/s tơng đơngvới 6 kênh thoại

* Thiết bị tiếp vận: Khác với thiết bị trạm đầu cuối, thiết bị trạm tiếp vận giaotiếp với đờng dây quang ở cả 2 phía Trong thiết bị tiếp vận không có các khối mãB/V ngẫu nhiên mã hóa và các bộ biến đổi ngợc lại Vì dạng mã trên đờng dâyquang đợc giữ nguyên chức năng của các khối còn lại tơng tự chức năng của cáckhối tơng ứng trong thiết bị trạm đầu cuối

3 Mã hóa hệ thống thông tin quang.

Chuỗi tín hiệu PCM có dạng phù hợp trong môi trờng truyền dẫn điện Thôngdụng hiện nay thờng là mã HDB3 là mã nhị phân mật độ cao có cực đại 3 số khôngliên tiếp và có trạng thái - 1, 0, +1 Mã này không thể truyền trên sợi quang Do tínhiệu quang chỉ có 2 trạng thái sáng và tối Để phù hợp với trạng thái sáng, tối thìtốt nhất dùng mã đơn cực và hớng dùng là NRZ Ngời ta thờng thực hiện đổi mãtheo xu hớng sau:

- Đối với hệ thống có dung lợng nhỏ, tốc độ 2 hoặc 8 Mb/s thì sử dụng phơngpháp đổi mã đơn giản có thể băng tần truyền dẫn bị rộng ra nhng cũng cha ảnh h-ởng thờng dùng mã 1B/ 2B tức là truyền 1 bít thành hai bít 01 hoặc 10

- Đối với hệ thống có dung lợng lớn, tốc độ bít từ 34 Mb/s trở lên thì cần thựchiện đối mã phức tạp tránh làm tăng độ rộng băng truyền

Một phơng pháp đơn giản là đổi mã HDB-3 sang mã đảo cực CMI theo quytắc là một dấu hiệu HDB-3 đợc đổi thành một cấu hiệu CMI nh sau:

Đồ án tốt nghiệp 37 SV: Nguyễn Hữu Anh

Dấu hiệu mã HDB-3 0 +1 hoặc -1

Mã CMI là mã NRZ (nhị phân đơn cực Not Retum tozero) không trở về mứckhông Bít "0" đợc ký hiệu 01, bít 1 đợc ký hiệu 11 hoặc 00 trong khoảng khe thờigian

Bộ ngẫu nhiên hóa SCN đã làm sáo trộn truổi tín hiệu để tránh xuất hiện truổi

"0" "1" không làm tăng độ rộng băng truyền dẫn Song không loại trừ hết các chuỗi

"0" "1" do tính ngẫu nhiên của nó Do vậy phải sử dụng thêm hệ mã hóa để biến

đổi lại một lần nữa Hiện nay nhiều hệ thống đang sử dụng loại mã khối 5B, 6B Đểlàm tăng tốc độ truyền do số bít tăng lên sau khi đợc mã hóa và không làm tăng độrộng băng truyền dẫn lên nhiều Sau đây là bảng đổi mã 5B 6B của Marconi: