Báo cáo thông tin quang

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang; Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang, Mạng truyền dẫn quang SDH tại Việt Nam,NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG, Cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang,Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation); LED (Light Emitting Diode)LED (Light Emitting Diode)Nguồn quang,Các thông số kĩ thuật của nguồn quang, Linh kiện tách sóng quang (Light Detector),

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT 7

I Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang 11

II Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 12

1 Ưu điểm: 12

2 Nhược điểm: 13

3 Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang 13

III Ứng dụng 14

IV Mạng truyền dẫn quang SDH tại Việt Nam 15

CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 16

I Cơ sở quang học 16

1 Tính chất ánh sáng 16

2 Tính lượng tử của vật chất 16

3 Phổ sóng điện từ 17

4 Chiết suất của môi trường 18

5 Sự phản xạ và khúc xạ 18

II Cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang 20 III Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 21

IV Tán sắc mode 22

V Sợi quang GI (Graded Index Fiber) 23

VI Phân loại sợi quang 24

CHƯƠNG III: CÁC THÔNG SỐ SỢI QUANG 27

I Suy hao ( Attenuation) 27

1 Định nghĩa: 27

2 Khái niệm 27

3 Nguyên nhân gây ra suy hao: 28

a) Do quá trình hấp thụ: 28

b) Do quá trình tán xạ: 30

c) Do uốn cong: 31

4 Phổ suy hao sợi quang: 32

5 Tán sắc (Dispersion) 32

a) Nguyên nhân gây ra tán sắc 32

b) Ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa của sợi quang 35

6 Thiết kế tuyến truyền dẫn quang 35

a) Tính toán một tuyến truyền dẫn quang 35

b) Khoảng cách có thể lắp đặt giữa hai trạm phụ thuộc vào 35

c) Mô hình tuyến truyền dẫn quang 36

d) Phân bố suy hao trên tuyến 36

e) Trạm lặp 36

CHƯƠNG IV: LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 38

I Lý thuyết lượng tử của Borh 38

II Các khái niệm cơ bản 38

1 Mức lượng tử (energy level) 38

2 Ánh sáng kết hợp ( Coherent Light ) 39

3 Vùng năng lượng (energy Band) 39

4 Chất bán dẫn(Semiconductor) 40

5 Nguyên lý biến đổi quang điện 41

III Nguồn quang 43

1 Độ rộng phổ: 44

IV LED (Light Emitting Diode) 45

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 45

a) Cấu tạo: 45

b) Nguyên lý hoạt động: 45

c) Phân loại 47

V Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 48

1 Cấu tạo 48

2 Nguyên lý hoạt động 49

3 Phổ Phát xạ của Laser 51

VI Các thông số kĩ thuật của nguồn quang 52

1 Công suất phát quang 52

2 Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang SLED, ELED và Laser trên hình 3.24 cho thấy: 52

3 Góc phát quang 53

4 Hiệu suất ghép quang 53

6 Thời gian chuyển lên (Rise time) 55

7 Ảnh hưởng của nhiệt độ 55

VII Linh kiện tách sóng quang (Light Detector) 56

1 Định nghĩa 56

2 Nguyên lý hoạt động 57

3 Phân loại 58

4 Vùng bước sóng 58

5 Hiệu suất lượng tử 58

6 Đáp ứng 59

7 Nhận xét 60

VIII Diode thu quang PIN 60

IX ADP (Avalanche Photo Diode) 62

1 Định nghĩa 62

2 Cấu tạo 62

3 Quá trình biến đổi quang – điện 62

4 Hiệu suất lượng tử 63

5 Dòng quang điện 63

6 Hệ số nhân M Là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp 64

X Các thông số kĩ thuật của linh kiện thu quang 64

1 Độ nhạy 64

2 Dải động (Dynamic Range) 65

3 Tạp âm (Noise) 65

a) Tạp âm nhiệt 65

b) Tạp âm lượng tử 66

c) Tập âm dòng tối 66

4 Độ ổn định 66

5 Điện áp phân cực 66

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 67

I Các yêu cầu 67

1 Hệ thông thông tin quan đơn giản nhất(điểm – điểm) 67

2 Mục đích thiết kế 67

3 Các thành phần của tuyến quang 67

a) Sợi quang 67

b) Nguồn quang 67

c) Thiết bị thu quang 67

II Quỹ Công suất 68

III Quỹ thời gian lên 69

IV Nhiễu trong hệ thống thông tin quang 69

V SNR 69

VI Các giá trị các thành phần 70

1 Thiết bị phát quang 70

2 Cáp sợi quang 70

3 Suy hao do mối hàn và bộ nối 71

4 Thiết bị thu 71

VII Bài Toán Thiết kế 71

VIII Các Bước thiết kế 72

IX Thực hiện 72

Bước 1 Chọn bước sóng làm việc của tuyến 72

Bước 2 Lựa chọn thành phần thiết bị hoạt động ở bước sóng trên 72 1) Chọn loại sợi quang 73

2) Chọn Thiết bị thu quang 73

3) Tổn hao trên đường truyền 73

Bước 3 Chọn thiết bị thoả mãn yêu cầu đặt ra 74

1) Thiết bị thu: PIN 74

2) Thiết bị thu: ADP ( với B =Bt/2 =1,25Gb/s do sử dụng mã NRZ) 75 3) Tính toán thời gian lên 76

X Kết luận 76

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1: Mô hình một nguyên tử 17

Hình 2.2: Phổ sóng điện từ 17

Hình 3.2: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng 18

Hình 2.4: Ánh sáng đi từ môi trường chiết suất nhỏ sang môi trường chiết suất lớn ( 𝜃1 > 𝜃2). 19

Hình 2.5: Hiện tượng phản xạ toàn phần (a) Còn tia khúc xạ (b) xuất hiện tia phản xạ số 3.( 𝜃1 < 𝜃2). 19

Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản và ánh sáng lan truyền trong sợi quang 20

Hình 2.7: Ánh sáng lan truyền trong sợi quang uốn cong 20

Hình 2.8: Ba tình huống khi chiếu ánh sáng vào sợi quang 21

Hình 2.9: Góc nhận ánh sáng bằng 2𝜃𝑚𝑎𝑥 21

Hình 2.10: Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón 22

Hình 2.11: Tán sắc mode trong sợi đa mode SI 22

Hình 2.12: Dạng phân bố chiết suất lõi sợi GI 23

Hình 2.13: Minh họa ánh sáng trong sợi quang GI 23

Hình 2.14: Quỹ đạo của tia sáng trong sợi GI 23

Hình 2.15: Mặt cắt ngang và mặt cắt chiết suất của sợi chiết suất bậc(SI) và sợi chiết suất biến đổi(GI) 24

Hình 2.16: Ba loại sợi quang cơ bản sử dụng trong viễn thông 25

Hình 3 1: Phổ suy hao của sợi quang và sự phụ thuộc bước sóng của một số cơ chế suy hao cơ bản 28

Hình 3 3: Mô tả quá trình tán xạ Rayleigh trong sợi quang 30

Hình 3 4: Mô tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia Tại chỗ uốn cong các tia thay đổi góc lan truyền lớn hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra ngoài vỏ 31

Hình 3 5: Phổ suy hao điển hình và các cửa sổ truyền dẫn của một sợi quang thủy tinh Đường đứt nét là phổ suy hao của sợi khô có tên thương mại là AllWave 32

Hình 3 6: Sự ảnh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra 33

Hình 3 7: Các loại tán sắc cơ bản xảy ra trong sợi quang 34

Hình 3 8: Mô hình tuyến truyền dẫn quang 36

Hình 3 9: Phân bố suy hao trên tuyến 36

Hình 4 1: Biểu đồ múc năng lượng ((energy level diagram) 38

Hình 4 2: Vùng năng lượng của chất bán dẫn 40

Hình 4 3: Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích 41

Hình 4 4: Quá trình biến đổi quang điện xảy ra dựa trên ba hiện tượng 41

Hình 4.5: Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V 43

Hình 4 6: Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng và đặc tính phổ của LED 44

Hình 4 7: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 45

Hình 4 8: Cấu trúc LED Burrus 47

Hình 4 9: LED phát xạ cạnh (ELED) 48

Hình 4 10: Cấu trúc của laser Fabry-Perot 49

Hình 4 11: Công suất của ánh sáng khi lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc

cộng hưởng Fabry-Perot 50

Hình 4 12: Hốc cộng hưởng Fabry-Perot 51

Hình 4 13: Một số loại Laser khác 51

Hình 4 14: Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang: SLED, ELED và Laser 52

Hình 4 15: Góc phát quang của SLED, ELED và Laser 53

Hình 4 16: Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang 54

Hình 4 17: Độ rọng phổ 54

Hình 4 18: Thời gian lên (rise time) của nguồn quang 55

Hình 4 19: Dòng điện ngưỡng Ith của laser thay đổi khi nhiệt độ thay đổi 56

Hình 4 20: Mối nối P-N phân cực ngược 57

Hình 4 21: Mô hình vật lý của một photodiode 57

Hình 4 22: Hiệu suất của mỗi vật liệu thay đổi theo bước sóng 58

Hình 4 23: Đồ thị biểu diễn giữa R và 𝜆 của photo diode Si 59

Hình 4 24: Quá trình tách sóng 60

Hình 4 25: Cấu trúc PIN gồm ba lớp: “P-type” - “I-Intrinsic” - “N-type” 61

Hình 4 26: Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn của PIN. 61

Hình 4 27: Cấu tạo bên trong của PIN 61

Hình 4 28: Cấu trúc bán dẫn của APD 62

Hình 4 29: Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn 62

Hình 4 30: Hê số nhân của APD silic với các bước sóng khác nhau thay đổi theo điện áp định thiên 63

Hình 4 31: Độ nhạy giữa PIN và APD 64

Hình 4 32: Linh kiện thu quang hoạt động trong vùng tuyến tính của dải động 65

Hình 5 1: Sơ đồ đơn giản hệ thống thông tin quang điểm điểm 67

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT

I Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang

Việc thông tin liên lạc đã có từ rất lâu và nó phát triển và hoàn thiện theo sự phát triển của loài người

Năm 1775: Paul Revere đã dùng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo đến

Năm 1790: Claude Chappe là một kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Tín hiệu của hệ thống vượt chặng đường 200 km trong vòng 15 phút

Năm 1854: Jonh Tyndall là nhà vật lý tự nhiên người Anh phát hiện ánh sáng

có thể truyền qua môi trường trong suốt Mười sáu năm sau năm 1870 Ông chứng minh ánh sáng có thể dẫn theo vòi nước bị uốn cong dựa vào định luật phản xạ toàn phần

Năm 1880: Alexander Graham Bell người Mỹ đã phát minh ra hệ thống thông tin ánh sáng photophone sử dụng ánh sáng mặt trời từ gương phẳng mỏng để điều chế tiếng nói thành tín hiệu truyền đi nhưng không thành công vì nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất liệu đường truyền Từ đó cho thấy cần phải có một môi trường truyền dẫn ánh sáng thích hợp

Năm 1934: Norman R.French là kỹ sư người Mỹ nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang Ông sử dụng thanh thủy tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng Môi trường trong suốt là một môi trường thích hợp cho việc truyền dẫn ánh sáng

Năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và nariorger Kapany phát triển sợi quang hai lớp thành một loại kính soi bằng sợi quang là Fibrescope uốn cong Ứng dụng đặc biệt trong ngành y để nội soi

Năm 1957: Một nhóm nhà nghiên cứu khoa học gồm K.Shimoda, H.Takahasi

và C.H Towner khi nghiên cứu về lý thuyết cơ học lượng tử đã có mầm mống về

ý tưởng khuếch đại quang Nếu có một tập hợp các hạt có thể được tạo nên mà

trong đó các phần tử ở mức trên nhiều hơn các phần tử ở mức dưới Thì khi đó, chùm photon qua môi trường như thế sẽ bị khuếch đại nhiều hơn là bị hấp thụ Hiện tượng này, cho phép xây dựng một bộ khuếch đại quang vói mức nhiễu lý tưởng

Năm 1958: Charles H.Townes phát minh ra con laser cho phép tang cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào ứng dụng thực tế làm nguồn quang dùng trong thông tin quang đã rất thành công làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommnication của Anh chứng minh rằng nếu sợi thủy tinh chế tạo

đủ tinh khiết thì suy hao ánh sáng được giảm tối thiểu thì ánh sáng có thể truyền

đi xa nhiều km Một năm sau 1967, suy hao được báo là 𝛼 ≈ 1000 𝑑𝐵/𝐾𝑚 Năm 1970: Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao 𝛼 < 20𝑑𝐵/𝐾𝑚 ở bước sóng 𝜆 = 633𝑛𝑚

Năm 1972: Loại sợi GI được chế tạo có suy hao 𝛼 ≈ 4 𝑑𝐵/𝐾𝑚

Năm 1983: Sợi SM được chế tạo ở Mỹ Và sợi quang SM được sử dụng phổ biến ngày nay có suy hao 0,2 dB/km tại 𝜆 = 1550𝑛𝑚

II Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang

1 Ưu điểm:

- Suy hao thấp cho phép cự ly lan truyền dài hơn đến 2000m với sợi đa

mode và 40000m với sợi đơn mode

- Dải thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao

- Trọng lượng nhẹ cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

- Kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng trong không gian

chật hẹp

- Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp

- An toàn cao vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

- Tính bảo mật cao vì nó không bức xạ năng lượng điện từ

- Tính linh hoạt vì đều khả dụng hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại

và video

- Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể

2 Nhược điểm:

- Phải biến đổi tín hiệu điện thành sóng ánh sáng

- Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh nên dòn và dễ gẫy

- Hàn nối khó khăn, đo thử sợi quang phải có thiết bị chuyên dụng đắt

tiền

- Sữa chữa tốn kém, đòi hỏi kĩ trình độ kĩ thuật viên cao và một quy

trình khắc khe với các thiết bị phù hợp

- Đòi hỏi kiến thức an toàn lao động tốt, vì sợi quang bằng thủy tinh

trong suốt lúc hàn nối phải rất cận trọng vì chưa có phương tiện nào

có thể phát hiện thủy tinh trong người gây nguy hiểm Ánh sáng truyền

trong sợi quang là ánh sáng hồng ngoại nên tránh không nhìn trực tiếp

vào đầu sợi quang có thể gây hại cho mắt

3 Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang

 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang gồm:

 Bộ phát quang

 Bộ Thu Quang

 Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

 Bộ thu quang gồm: Mạch điều khiển và nguồn phát quang

 Mạch điều khiển điều khiển quá trình nhận tín hiệu đưa đến biến

đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang

 Nguồn phát quang biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang Hiện

nay linh kiện sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER

 Bộ thu quang gồm tách sóng quang, khuyết đại và phục hồi tín hiệu

 Tách sóng quan dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu

điện hiện nay sử dụng linh kiện PIN và APD để tách sóng quang

Formatted: Level 3

Formatted: Level 3

 Khuyết đại tín hiệu điện để bù lại những suy hao do đường truyền

 Phục hồi tín hiệu là nhận biết các giá trị 0,1 của chuỗi bit tín hiệu

để phục hồi lại như tín hiệu ban đầu

Hình 1.1: Mô hình tổng quát truyền dẫn sợi quang

 Nếu cự ly truyền quá dài tuyến có thể lắp thêm một hoặc vài trạm lặp

giữa trạm đầu và cuối Chức năng của trạm lặp là thu nhận tín hiệu

quang bị suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa

dạng tín hiệu điện này, khuyết đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi

thành tín hiệu đã khuyết đại thành tín hiệu quang Và đưa tín hiệu

quang lên đường truyền tiếp tục đến đầu thu Đây là mẫu tuyến thông

tin truyền thống sử dụng khuyết đại thông qua quá trình quang – điện

– quang Hiện nay, với sự phát triển khuyết đại trực tiếp từ tín hiệu

ánh sáng trên đường truyền sử dụng khuyết đại quang – quang EDFA

 Trong hình 1.2

 Khối O/E là bộ thu quang

 Khối E/O là bộ phát quang

Hình 1.2: Cấu trức đơn giản của một trạm lặp quang cho một hướng truyền

dẫn

III Ứng dụng

- Mạng đường trục quốc gia

Bộ phát quang

Bộ Thu quang Môi trường truyền dẫn

Formatted: Level 2

o Vòng 3: Đà Nẵng – Qui Nhơn dài 817 km

o Vòng 4: Qui Nhơn – TP.HCM dài 1424 km

 STM – 16/2F – BSHR (hiện nay đã triển khai mạng DWDM

20GB/s)

 Hai hệ thống truyền dẫn: Cáp quang chôn trực tiếp dọc theo quốc lộ

1 (8 sợi) và đường dây điện 500 kV (10 sợi)

 Các đường truyền dẫn cáp quang liên tĩnh khác: Hà Nội - Hải Phòng,

Hà Nội – Hòa Bình, TP.HCM – Vũng Tàu, 4F-BSHR (Flat Ring)

 Mạng truyền dẫn nội tỉnh

 Các tuyến cáp quang Quốc tế

 TVH ( Thái Lan, Việt Nam, Hồng Công)

 SEA – MEA – WE 3 ( South East Asia – Middle East Asia – West

Europe)

Formatted: Level 2

CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG

𝑬 = 𝒉 × 𝒇 = 𝟏, 𝟐𝟒

𝝀(𝝁𝒎)Trong đó: f là tần số (Hz)

E là năng lượng photon (eV)

c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c=3.108m/s

h là hằng số Planck, h=6,625 × 10−34(J.s)

2 Tính lượng tử của vật chất

 Hạt nhân mang điện tích dương

 Các điện tử mang điện tích âm

 Quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo ổn định

 Mang một mức năng lượng nhất định

 Ba bước sóng ánh sáng thông dụng dùng trong các hệ thống thông tin quang được gọi là 3 cửa sổ quang:

- Cửa sổ 1: 𝜆 = 850nm

- Cửa sổ 2: 𝜆 = 1300nm

- Cửa sổ 3: 𝜆 = 1550nm

4 Chiết suất của môi trường

Chiết suất của một môi trường trong suốt (n) được xác định bởi tỉ số giữa vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sáng lan truyền trong môi trường ấy

𝒏 = 𝒄𝒗Với n là chiết suất môi trường không có đơn vị

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s), v ≤ c

C là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s)

5 Sự phản xạ và khúc xạ

Hình 3.2: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng

 Một tia sáng tới mặt ngăn cách giữa hai môi trường, tia sáng này bị tách ra làm hai phần: một phần dội lại môi trường đầu (hiện tượng phản xạ), một phần truyền tiếp qua môi trường hai Tia truyền tiếp

bị lệch hướng truyền so với tia ban đầu (hiện tượng khúc xạ)

 Ðịnh luật phản xạ ánh sáng được phát biểu tóm tắt như sau:

- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới

- Góc phản xạ bằng góc tới (𝜃1' = 𝜃1)

 Định luật khúc xạ ánh sáng

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tia tới

- Góc phản xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:

n 1 Sin𝜽𝟏= n 2 Sin𝜽𝟐

 Định luật phản xạ toàn phần: Có hai trường hợp:

1 và 2

- Cho nên khi tăng góc tới 1 = c < 90 thì 2 = 90 (hình 2.4 (b))

- Và khi 1 > c thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1,

và được gọi là hiện tượng phản xạ hoàn toàn (total reflection)

- c được gọi là góc giới hạn (critical angle): sin 𝜃𝑐 =𝑛2

𝑛1

II Cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang

 Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1

- Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản

xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc, và được định hướng trong lõi

Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản và ánh sáng lan truyền trong sợi quang

- Ánh sáng có thể truyền trong sợi quang bị uốn cong với một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần)

Hình 2.7: Ánh sáng lan truyền trong sợi quang uốn cong

III Khẩu độ số NA (Numerical Aperture)

- Sự phản xạ toàn phần sẽ xảy ra trong lõi sợi quang chỉ đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn max Khẩu độ

số của sợi quang được định nghĩa:

𝑵𝑨 = 𝐬𝐢𝐧 𝜽𝒎𝒂𝒙

- Ðối với sợi SI ta tính được:

𝑵𝑨 = 𝐬𝐢𝐧 𝜽𝒎𝒂𝒙= √𝒏𝟏𝟐− 𝒏𝟐𝟐= 𝒏𝟏√𝟐𝚫

Với n1 là chiết suất lõi sợi quang

N2 là chiết suất lớp vỏ bọc sợi quang

Δ =𝑛1 −𝑛2

𝑛1+𝑛2 là độ chênh lệch chiết suất tương đối

Hình 2.8: Ba tình huống khi chiếu ánh sáng vào sợi quang

Hình 2.9: Góc nhận ánh sáng bằng 2𝜃𝑚𝑎𝑥

Hình 2.10: Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón

- Hình 2.7, hình 2.8, hình 2.9 là khẩu độ sợi quang Khẩu độ số cho ta biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang Ðây là thông số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang

IV 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 nhóm 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

Hình 2.11: Tán sắc mode trong sợi đa mode SI

- Tia 1 (tia ngắn nhất) đi trùng với trục của sợi quang

- Tia 2 (tia dài nhất) là tia ứng với góc tới bằng góc tới hạn c

 Ảnh hưởng của tán sắc:

- Tín hiệu tương tự: méo dạng tín hiệu

- Tín hiệu số: chồng lấp giữa các bit

 Hạn chế dung lượng và cự ly truyền của tuyến quang

 Cách hạn chế tán sắc là dùng sợi quang đa mode (SMF) có nghĩa là chỉ cho một tia sáng truyền trong sợi quang Hoặc sử dụng sợi quang hiết suất giảm dần (SI) có nghĩa là giảm Δ𝑡 giữa các tia sáng

V Sợi quang GI (Graded Index Fiber)

- Sợi SI là sợi quang có chiết suất trong lõi biến đổi theo khoảng cách từ tâm sợi ra ngoài biên tiếp giáp với xu hướng chiết suất tại tâm lõi là lớn

nhất

- Chiết suất sợi quang SI có dạng hình parabol.( g=2)

Hình 2.12: Dạng phân bố chiết suất lõi sợi GI

Hình 2.13: Minh họa ánh sáng trong sợi quang GI

- Ánh sáng truyền trong sợi quang theo đường cong vì sợi quang có chiết suất trong lõi biến đổi theo khoảng cách từ tâm sợi ra ngoài biên tiếp giáp

sẽ có hiện tượng tán xạ toàn phần theo từng chiết xuất tạo ra đường cong

Hình 2.14: Quỹ đạo của tia sáng trong sợi GI

VI Phân loại sợi quang

- Có nhiều kiểu sợi quang khác nhau và cũng có nhiều cách phân loại sợi quang Nhìn chung các sợi quang có thể được phân loại dựa trên các yếu

tố cơ bản sau:

 Dựa vào vật liệu chế tạo

 Dựa vào số lượng mode truyền dẫn

 Dựa vào mặt cắt chiết suất

- Dựa vào vật liệu chế tạo,các loại sợi quang thường được chế tạo từ hai loại vật liệu trong suốt là thủy tinh và nhựa Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh cho cả phần lõi và vỏ Các sợi quang nhựa thường có kích thước lớn và suy hao cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh, nhưng có độ bền cơ học tốt hơn Một số loại sợi cũng có thể được chế tạo có lõi làm bằng thủy tinh, còn lớp vỏ làm bằng nhựa

Do dựa trên hai loại vật liệu khác nhau nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp của mỗi loại không giống nhau

Hình 2.15: Mặt cắt ngang và mặt cắt chiết suất của sợi chiết suất bậc(SI) và sợi

chiết suất biến đổi(GI)

- Dựa theo số lượng mode truyền, các sợi quang có hai loại cơ bản đó là: sợi đa mode hỗ trợ nhiều mode truyền trong sợi và sợi đơn mode chỉ hỗ trợ duy nhất một mode truyền cơ bản

Hình 2.16: Ba loại sợi quang cơ bản sử dụng trong viễn thông

- Ngoài các cách phân loại cơ bản sợi quang ở trên, sợi quang cũng có thể được phân loại theo nhiều cách khác tùy theo mục đích sử dụng hay tính năng của sợi

 Sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn

 Sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng để bù ảnh hưởng của tán sắc, sợi duy trì phân cực cho phép duy trì trạng thái Mặt cắt chiết suất Mặt cắt sợi quang và quỹ đạo các tia Kích thước điển hình Sợi đơn mode Sợi đa mode chiết suất bậc Sợi đa mode chiết suất biến đổi 21 phân cực của tín hiệu khi lan truyền

 Sợi phi tuyến (HNLF) có hệ số phi tuyến cao dùng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang

 Sợi tinh thể photonic (PCF) hay còn gọi là sợi vi cấu trúc có lớp vỏ

và cả vùng lõi trong vài trường hợp chứa các lỗ không khí chạy dọc

theo sợi Sự sắp xếp cấu trúc trong một PCF sẽ xác định đặc tính dẫn ánh sáng của sợi

CHƯƠNG III: CÁC THÔNG SỐ SỢI QUANG

I Suy hao ( Attenuation)

1 Định nghĩa:

Suy hao là một trong những đặc tính quang trọng của sợi quang ảnh hưởng dến thiết kế hệ thống thông tin quang Vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyết đại quang trên đường truyền

2 Khái niệm

Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công suất sẽ giảm dần dạng hàm

mũ theo khoảng cách Nếu P(0) là công suất quang đi vào trong sợi (tại z

= 0) thì công suất P(L) tại khoảng cách L sẽ giảm xuống bởi:

 Khi công suất quang sử dụng đơn vị dBm thì hệ số suy hao 𝛼(dBm/Km):

3 Nguyên nhân gây ra suy hao:

Có nhiều nguyên nhân gây suy hao tín hiệu trong sợi quang, trong đó bao gồm các nguyên nhân chính như suy hao do hấp thụ, suy hao do tán

xạ và suy hao do uốn cong

a) Do quá trình hấp thụ:

Quá trình hấp thụ trong sợi quang được phân thành hai loại chính Suy hao do hấp thụ thuần tương ứng với sự hấp thụ của thủy tinh tinh khiết (vật liệu chế tạo sợi), còn suy hao do hấp thụ ngoài gây ra do các

tạp chất bên trong thủy tinh

Hình 3 1: Phổ suy hao của sợi quang và sự phụ thuộc bước sóng của

một số cơ chế suy hao cơ bản

Bất kỳ vật liệu nào đều hấp thụ tại các bước sóng xác định tương ứng với các tần số cộng hưởng điện tử và dao động liên quan đến các phân tử xác định Đối với các phân tử thủy tinh SiO2, các tần số cộng hưởng điện tử xảy ra ở vùng cực tím (< 0,4 µm), trong khi các tần số

cộng hưởng dao động xảy ra ở vùng hồng ngoại (> 7 µm) Vì bản chất

vô định hình của thủy tinh, các tần số cộng hưởng này ở dạng các dải

hấp thụ có các đuôi mở rộng vào cả vùng nhìn thấy

Từ hình 3.1 ta thấy hấp thụ vật liệu thuần đối với thủy tinh trong phạm vi bước sóng 0,8 – 1,6 µm là nhỏ hơn 0,1 dB/km Thực tế nó nhỏ hơn 0,03 dB/km trong cửa sổ 1,3 – 1,6 µm mà hay sử dụng trong các

hệ thống thông tin quang sợi

Hấp thụ ngoài sinh ra do sự có mặt các tạp chất trong nền thủy tinh Các tạp kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Co, Ni, Mn và Cr hấp

thụ mạnh trong dải bước sóng 0,6 – 1,6 µm

Lượng tạp chất cần được giảm tới mức nhỏ hơn 1 phần tỉ (ppb) để

có được mức suy hao nhỏ hơn 1 dB/km

Nguồn hấp thụ ngoài chính trong các sợi thủy tinh hiện nay là sự

có mặt của hơi nước Một tần số cộng hưởng của ion OH xảy ra gần 2,73 µm, nhưng các tần số hài và các tổ hợp của nó với thủy tinh tạo ra

sự hấp thụ tại các bước sóng 1,39 µm, 1,24 µm và 0,95µm

Ba đỉnh phổ được thấy trong hình 3.1 xảy ra ở gần các bước sóng này và là vì sự có mặt của hơi nước dư trong thủy tinh Thậm chí một nồng độ cỡ 1 phần triệu (ppm) có thể gây ra một suy hao khoảng 50

dB/km tại 1,39 µm

Các sợi quang hiện đại đều giảm nồng độ OH dư xuống dưới 1 ppb

để hạ thấp đỉnh 1,39 µm xuống dưới 1 dB Trong một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô, nồng độ OH được giảm xuống tới mức rất thấp

đến mức đỉnh 1,39 µm gần như triệt tiêu như cho thấy trong hình 3.2

Hình 3 2: Phổ suy hao và đặc tính tán sắc của sợi khô

b) Do quá trình tán xạ:

Tán xạ Rayleigh là một cơ chế suy hao cơ bản sinh ra từ sự thăng giáng về mật độ mức vi mô Do thủy tinh chế tạo sợi ở dạng vô định hình nên các phân tử SiO2 kết nối với nhau theo dạng ngẫu nhiên, kết quả dẫn đến có sự thăng giáng về mật độ Thêm nữa còn có sự thăng giáng về thành phần trong thủy tinh do có sự pha tạp để thay đổi chiết suất thủy tinh Những thăng giáng này đều dẫn đến sự biến đổi ngẫu nhiên về chiết suất ở cỡ nhỏ hơn bước sóng và trở thành các tâm tán xạ Các biến đổi chiết suất này gây ra tán xạ ánh sáng

Hình 3 3: Mô tả quá trình tán xạ Rayleigh trong sợi quang

Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất sẽ tỏa ra nhiều hướng  gây suy hao cho sợi quang, một phần năng lượng ánh sáng

bị phân tách ra nhiều hướng khác nhau không truyền đi xa được Ứng dụng trong máy đo quang dội OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) Máy OTDR bơm vào sợi cáp quang cần kiểm tra một dòng xung ánh sáng, xung ánh sáng này chạy dọc trong sợi quang khi gặp điểm lỗi nó sẽ phản xạ trở lại, tại điểm cuối của sợi một số phản xạ trở lại một số phóng ra khỏi sợi, tín hiệu phản xạ trở lại sẽ sẽ bị thay đổi

về lượng xung, căn cứ về thay đổi lượng xung này kết hợp với chiều dài ánh sáng phát và thời gian phát xung thiết bị này sẽ xác định được thông

số suy hao và chiều dài sợi

Độ lợi của suy hao tán xạ Rayligh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước sóng

4 Phổ suy hao sợi quang:

Cho biết sự phụ thuộc hệ số suy hao sợi quang vào bước sóng và là sự

tổ hợp của các yếu tố suy hao do hấp thụ và suy hao do tán xạ

- Cửa sổ đầu tiên vùng 850 nm được sử dụng cho các sợi đa mode có mức suy hao trung bình khoảng 2 – 3 dB/km

- Cửa sổ thứ hai nằm ở vùng 1300 nm sử dụng cho các sợi đơn mode có mức suy hao trung bình khoảng 0,5 dB/km

- Cửa sổ thứ 3 ở vùng 1550 nm cũng được sử dụng cho sợi đơn mode là vùng có mức suy hao thấp nhất chỉ khoảng 0,2 dB/km

Hình 3 5: Phổ suy hao điển hình và các cửa sổ truyền dẫn của một sợi quang thủy tinh Đường đứt nét là phổ suy hao của sợi khô có tên thương mại là

AllWave

- Đối với các sợi quang mới gọi là sợi khô có sự triệt tiêu đỉnh hấp thụ OH ở khoảng 1400 nm thì cửa sổ truyền dẫn sẽ được mở rộng từ cửa sổ thứ hai sang cửa sổ thứ 3 và được phân chia thành

- Do sự chênh lệch về thời gian truyền của các tia sáng ( các mode sóng)

 tán sắc do đường truyền hay tán sắc mode

- Ánh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảng bước sóng cùng với vận tốc truyền pha của mỗi bước sóng lại khác nhau

 thời gian truyền của các bước sóng khác nhau

 tán sắc thể

- Ngoài ra còn tán sắc chất liệu, tán sắc dẫn sóng

Hình 3 6: Sự ảnh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra

Hình 3 7: Các loại tán sắc cơ bản xảy ra trong sợi quang

- Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang: 𝑫 = √𝝉𝟎𝟐− 𝝉𝒊𝟐

Dx làtán sắc x trên một đoạn chiều dài L(ns)

dx là tán sắc đơn vị(ns/km)

M là tán sắc chất liệu đơn vị (ns.km/nm)

Δ𝜆 là độ rộng phổ của nguồn quang (nm)

b) Ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa của sợi quang

𝑩𝒓 ≤ 𝟏𝟒𝑫𝒕= 𝑩𝒓𝒎𝒂𝒙 𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝟏

𝟒𝑩𝒓Trong đó: Dt là tán sắc tổng cộng của sợi quang có chiều dài L ( ns )

Dmax tán sắc tống cộng tối đa cho phép của sợi quang dài L (ns)

Brmax : tốc độ bit tối đa có thể truyền qua sợi quang dài L (Gb / s )

Br : tốc độ bit truyền thực tế qua sợi quang dài L ( Gb / s )

Br = R x ( hệ số mã hoá )

R : tốc độ bit danh định ( tín hiệu chưa qua mã hoá )

Hệ số mã hoá : phụ thuộc vào loại mã đường truyền

6 Thiết kế tuyến truyền dẫn quang

a) Tính toán một tuyến truyền dẫn quang

Có thể được tiến hành theo hai hướng

- Tính khoảng cách có thể lắp đặt giữa hai trạm khi biết tốc độ bit cần truyền dẫn và đặc tính của các phần tử trong tuyến

 Xác định số lượng và vị trí các trạm lặp trên tuyến

- Tính giới hạn đặc tính của các phần tử khi biết tốc độ và cự ly cần truyền

 Chọn loại sợi quang , thiết bị thu phát quang

b) Khoảng cách có thể lắp đặt giữa hai trạm phụ thuộc vào

- Loại thiết bị truyền dẫn quang

- Các mối hàn , nối

- Dự phòng công suất

c) Mô hình tuyến truyền dẫn quang

Hình 3 8: Mô hình tuyến truyền dẫn quang

d) Phân bố suy hao trên tuyến

Hình 3 9: Phân bố suy hao trên tuyến

e) Trạm lặp

Dùng để giảm công suất phát và sửa tín hiệu mà suy hao làm biến đổi bit.Điều kiện để có thể lắp đặt hai trạm được mà không cần trạm lặp:

- Điều kiện về công suất: PRmin< Pthu < PRmax

 Quỹ công suất

- Điều kiện về độ nới xung: tHT< tmax

Br ≤ 1

4Dt= Drmax

 Quỹ thời gian tăng của xung

- Với tốc độ bit cho trước, tính khoảng cách tối đa có thể lắp đặt hai thiết bị được mà không cần trạm lặp

- Tùy theo địa hình, quy hoạch, khả năng quản lý, vận hành thiết bị, khoảng cách lắp đặt cho phép → số lượng và vị trí lắp đặt trạm