Thiết kế hệ thống thông tin sợi quang làm việc ở cự ly 100 km

Hạn chế trong mạng truyền dẫn thông tin sợi quang là tỉ lệ nghịch giữa khoảng cách xa và tốc độ đường truyền, và khoảng cách càng xa thì bị ảnh hưởng của tán sắc ánh sáng truyền trong sợ

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN

ĐỖ HỮU QUỐC

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG LÀM VIỆC Ở CỰ LI 100KM

Chuyên ngành : VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS-TS TRẦN MINH THÁI

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đỗ Hữu Quốc Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1978 Nơi sinh: Trà Vinh

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật

MSHV: 01207700

1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG LÀM VIỆC Ở

CỰ LI 100 KM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang.Xây dựng một mạng truyền dẫn thông tin sợi quang dung lượng cao và ổn định cao Dựa trên các phần mền thiết

kế mô phỏng sẵn có nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí và có tính chính xác cao trong mô phỏng thiết kế Lựa chọn cách thiết kế, hoạch định, phương pháp tính toán mô phỏng và triển khai mạng thông tin sợi quang làm việc ở cự li 100 Km

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS-TS TRẦN MINH THÁI

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Lời cám ơn

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trong khoa Khoa Học Ứng Dụng trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tại trường Xin cám ơn các bạn học cùng khóa đã

hỗ trợ tôi những kiến thức trong suốt khóa học qua, xin cám ơn các đồng nghiệp tại Tổng Công ty Viễn thông Quân Đội đã hỗ trợ tôi thiết kế thực tế mạng thông tin sợi quang Đặc biệt xin chân thành cảm ơn thầy Trần Minh Thái, thầy đã tận tình truyền đạt và hướng dẫn tôi các kiến thức quan trọng để hoàn thành luận văn này

Học viên : Đỗ Hữu Quốc

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Trong những năm gần đây, cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế và đời sống xã hội, nhu cầu phát triển các loại hình dịch vụ điện thoại,phi thoại, Internet và đặc biệt là các loại dịch vụ băng rộng; Đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh vv…ngày càng tăng Để thoả mãn nhu cầu đó thì cần phải có mạng truyền tải băng rộng gồm các

hệ thống truyền dẫn lên tới Gbit/s, cự ly truyền dẫn xa, mạng truyền dẫn xa,mạng truyền tải đòi hỏi phải có cấu trúc hiện đại linh hoạt và nhất là phải thoả mãn nhu cầu

về truyền tải dịch vụ băng rộng Mạng cần có tổ chức đơn giản nhưng phải có chức năng, đảm bảo được các khả năng quản lý kênh, định tuyến và tính an toàn mạng cao,

dễ dàng đối với việc nâng cấp công nghệ mạng và phát triển mở rộng trong tương lai

Xuất phát từ nhu cầu trên, luận văn ra đời để giải quyết các vấn đề truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang Tìm giải pháp tối ưu cho việc thiết kế và kiểm tra hệ thống thông tin quang Xây dựng một mạng truyền dẫn thông tin sợi quang dung lượng cao và ổn định cao Dựa trên các phần mền thiết kế mô phỏng sẵn có nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí và có tính chính xác cao trong mô phỏng thiết kế

Thực tế tại Việt Nam các trung tâm tỉnh này đến tỉnh kia có cự li trung bình khoảng từ 65 – 100 km

Do đó đề tài nghiên cứu của luận văn này ra đời với tên : “Thiết kế hệ thống thông tin sợi quang làm việc ở cự li 100 km” có nôi dung như sau :

- Tìm hiểu Hệ thông tin sợi quang: sợi quang, laser phát, photodiode…

- Tìm hiểu nghiên cứu các phương thức truyền dẫn trong hệ thông tin quang

- Tìm hiểu các phần mềm mô phỏng và thiết kế mạng truyền dẫn quang

- Dùng những hiểu biết để thiết kế mạng thông tin quang không cần phần mềm Thiết kế và mô phỏng dựa trên phần mềm PHOTOSS/VPI/Optsim

- Thiết kế thực mạng truyền dẫn quang dựa trên thiết bị truyền dẫn có sẵn của hãng Huawei mà Công ty Viettel Telecom đang triển khai

ABSTRACT

In this thesis, we calculated, simulated fiber optic communication link using Optsim software This results , we designed optical fiber system operation with distances over 100 km and can to 200 km This fiber optical communication with following characteristics:

 The system built on three node transmission, consist of node HCM058, node DNI001 and node HCM148 Signal from HCM058

to DNI001 and then transit to HCM 148 with total length distance of transmission is 110 km

 The maximum speed of this system can be to 155,52 Mbps corresponding with 1 STM-1 or 63 E1 (1xE1 ~ 2Mbps) Addition this system support four FE (Fast Ethernet 2~100 Mbps)

 The system can be support in LAN system, WAN system and other applied

 This system allow data transmission of 2G service, 3G service, files transfer, music signal transfer, video signal transfer, FTTH (Fiber To The Home) service, FTTx service… This system can be applied connection information between hospital to hospital, office to office, office to home …

The fiber optical communication can be applied to expand bandwide up to

10 Gbps

Besides, designing fiber optic communication link can be applied in exploitation its operation

MỤC LỤC

Mở đầu .1

PHẦN 1: TỔNG QUAN 3

Chương 1 : Hệ thống thông tin Quang .3

1.1 Giới thiệu hệ thông tin sợi quang 3

1.2 Đặc điểm của ánh sáng .5

1.2.1 Ba đặc tính của ánh sáng .5

1.2.2 Sự giao thoa ánh sáng 6

1.3 Sợi quang .8

1.3.1 Cấu tạo của sợi quang 8

1.3.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang .8

1.3.3 Phân loại cấu trúc sợi quang 10

1.4 Đặc tính của sợi quang 12

1.4.1 Tổn hao sợi quang 12

1.4.2 Tán sắc ánh sáng và độ rộng băng truyền dẫn 15

1.5 Linh kiện phát quang (Optical Transmitter ): 16

1.5.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 16

1.5.3 Cơ chế phát xạ ánh sáng của chất bán dẫn 17

1.5.3 Cấu trúc của linh kiện phát quang .18

1.6 Linh kiện thu quang (Optical Receiver) 22

1.6.1 Cơ chế thu quang 22

1.6.2 Cấu trúc của linh kiện thu quang 23

Chương 2 : Thiết kế hệ thống thông tin Quang .25

2.1 Lựa chọn các thành phần, thông số cơ bản 25

2.1.1 Bước sóng 26

2.1.2 Linh kiện phát quang 27

2.1.3 Linh kiện thu quang .27

2.1.4 Bộ tách ghép kênh quang .28

2.1.5 Sợi quang 28

2.2 Lựa chọn khoảng cách đặt trạm lặp tín hiệu 29

2.3 Các thông số cần lưu ý khi thiết kế 31

2.3.1 Băng Thông và thời gian trễ của tín hiệu .31

2.3.2 Suy hao đường truyền 31

2.3.3 Giải động 32

2.3.4 Nhiễu và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, Eye pattern 32

2.4 Lựa chọn kỹ thuật mã hóa tách ghép kênh cho mạng .34

PHẦN 2 : KẾT QUẢ 36

Chương 3 : Mục tiêu và nhiệm vụ chính của luận văn 36

3.1 Mục tiêu : 36

3.2 Các nhiệm vụ : 36

Chương 4 : Các phần mềm mô phỏng và thiết kế mạng truyền dẫn quang .38

4.1 Giới thiệu các phần mềm 38

4.2 Một số ví dụ mô phỏng hệ thống thông tin bằng phần mềm 41

4.2.1 Phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang PHOTOSS 41

4.2.2 Phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang VPI 42

4.2.3 Phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Optsim 44

4.3 Mô phỏng hệ thống thông tin bằng phần mềm Optsim 47

4.3.1 Thiết kế và mô phỏng mô hình 47

4.3.2 Kết quả mô phỏng 53

4.3.2.1 Mô phỏng hệ thống làm việc ở tốc độ 1GHz , bước sóng 1550nm 53 a Đường truyền trục có chiều dài 1km 55

b Đường truyền trục có chiều dài 10km 59

c Đường truyền trục có chiều dài 100km 63

4.3.2.2 Mô phỏng hệ thống làm việc ở tốc độ 10GHz , bước sóng 1550nm 67

a Đường truyền trục có chiều dài 1km 69

b Đường truyền trục có chiều dài 10km 73

c Đường truyền trục có chiều dài 100km 77

Chương 5 : Kết quả thiết kế mạng truyền dẫn quang 82

5.1 Thiết kế thử mạng truyền dẫn có cự li >100km 82

5.1.1 Lựa chọn cự li của tuyến 82

5.1.2 Lựa chọn thông số thiết kế 85

5.1.3 Lựa chọn Thiết bị cho hệ thống thông tin truyền dẫn quang 88

5.2 Kết quả Thiết kế thử mạng truyền dẫn có cự li >100Km 95

Chương 6 : KẾT LUẬN 102

6.1 Kết quả thu được .102

6.1.1 Sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin sợi quang 102

6.1.2 Từ thiết kế thi công thử hệ thống thông tin sợi quang 102

6.2 Thuận lợi 103

6.3 Khó khăn 103

6.4 Ứng dụng thực tiễn của đề tài 103

6.5 Kết luận 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 107

Các Phương Thức Truyền Dẫn trong hệ Thống mạng thông tin Quang 107

1.1 Cơ sở chuẩn hóa các phương thức truyền dẫn .107

1.2 Metrobus 107

1.3 SONET 109

1.4 Phân cấp số đồng bộ 111

1.5 SHD và SONET 113

1.6 Phân cấp số cận đồng bộ so với đồng bộ 115

1.7 Các đặc điểm của Phương pháp Truyền dẫn Đồng bộ 122

1 8 Các mạch vòng tự hàn gắn (SHR) 124

1 10 Hệ thống thông tin ATM 138

Mở đầu

Các phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản gồm cĩ truyền dẫn tín hiệu hữu tuyến và truyền dẫn vơ tuyến

Truyền tín hiệu hữu tuyến : truyền bằng cáp quang, cáp đồng

Truyền tín hiệu vơ tuyến : bằng vệ tinh, viba…

Việc sử dụng truyền dẫn vơ tuyến bằng vệ tinh, viba … đầu tư tốn nhiều chi phí, triển khai khĩ khăn, vận hành bảo dưỡng tốn chi phí cao, dung lượng thấp Vài chục năm trước đây truyền dẫn thơng tin chủ yếu dùng phương thức truyền dẫn hữu tuyến bằng cáp đồng, cáp song hành, cáp xoắn cáp đồng trục… Thơng tin được truyền với phương thức này đa phần là tín hiệu điện truyền trên các dây dẫn kim loại Nhược điểm bị giới hạn khỏang cách truyền, tốc độ và băng thơng truyền thơng tin

Khoảng từ thập niên 1970 trở lại đây, cùng với sự ra đời của sợi quang Việc truyền dẫn tín hiệu thơng tin trên sợi quang dần dần được thay thế cho tín hiệu điện truyền trên các dây dẫn kim loại truyền thống

Trong thời đại thơng tin hiện nay, thơng tin truyền thơng đĩng vai trị rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet Phần lớn những nhu cầu hiện nay liên quan đến việc truyền dữ liệu hơn là tiếng nói Số người sử dụng Internet ngày càng đông và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp Truyền dẫn thơng tin trên sợi quang đáp ứng được những yêu cầu đĩ

Những tính ưu việt mà hệ thống thơng tin sợi quang so với hệ thơng tin cáp kim loại truyền thống :

- Sợi quang nhẹ hơn các sợi cáp kim loại truyền thống

- Do sợi dẫn quang bằng những vật liệu phi kim loai nên cách điện và chống sét đánh lan truyền trên đường dây của hệ thống mạng

- Suy hao trên sợi quang thấp nên có thể truyền được khỏang cách xa

- Băng thông và tốc độ truyền cao

- Khả năng chống nhiễu cao ( do tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi quang không bị giao thoa, và cũng không bị nhiễu trường điện từ bên ngoài)

- Sợi quang có thể lắp đặt ở nhiều môi trường khắc nghiệt : môi trường nhiệt độ cao, nước biển, ô nhiễm, môi trường phóng xạ…

- Triển khai hệ thống thông tin quang dung lượng cao tốc độ lớn khỏang cách xa có chi phí thấp hơn so với triển khai bằng vệ tinh hay viba

Hiện tại hệ thống thông tin quang đang được triển khai chủ yếu trên các trục truyền dẫn xuyên quốc gia xuyên lục địa với khoảng cách nghìn đến chục nghìn km Thực tế tại Việt Nam các trung tâm tỉnh này đến tỉnh kia có cự li trung bình khoảng từ 65 – 100 km Để tính toán thiết kế mô phỏng một mạng thông tin sợi quang phù hợp với tình hình Việt Nam cần phải lựa chọn cách thiết kế, hoạch định, phương pháp mô phỏng và triển khai thi công tối ưu nhất Hạn chế trong mạng truyền dẫn thông tin sợi quang là tỉ lệ nghịch giữa khoảng cách xa và tốc độ đường truyền, và khoảng cách càng xa thì bị ảnh hưởng của tán sắc ánh sáng truyền trong sợi quang Vì thế đề tài nghiên cứu thiết kế triển khai mạng thông tin sợi quang làm việc ở cự li 100 km ra đời

PHẦN 1: TỔNG QUAN

Chương 1 : Hệ thống thông tin Quang

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian - thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều đó có nghĩa vlà thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu Hình 1.1 Giới thiệu một hệ thống truyền dẫn sợi quang digital được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các giai đoạn phát triển của hệ thống này và so sánh các đặc tính của nó với các đặc tính của những hệ thống đang tồn tại Cuối cùng, chúng ta sẽ giải thích các tính chất của ánh sáng

Hình 1.1 Hệ thống truyền dẫn sợi quang

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG

Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn hiệu Sau đó, năm 1791, VC.Chape phát minh ra một máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết Để giải quyết hạn chế này, Marconi

đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau Đầu năm 1980, A.G.Bell - người phát sinh ra

hệ thống điện thoại – đã nghĩ ra một thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng Tuy nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ bễ do sự xuất hiện hệ thống vô tuyến

Các giai đoạn phát triển của thông tin cáp sợi quang

1960

Triển khai máy laser

Ruby (HUGHES)

(ST, tổn thất 1000dB/km)

1970

Máy laser GaAIAS tạo dao động liên tục (BL, Nga, NEC)

Triển khai thành công sợi sáp quang sử dụng

abaston (Corning, 20 dB/km)

quang có độ tổn thất thấp (MCVD, BL, 1dB/km)

1976 Máy laser GalnAsP dao động liên tục (MIT,

KDD, TIT, NTT)

Đề xuất khả năng sản xuất sợi quang florua (France, Lucas)

1977 Máy laser GaAIAs có tuổi thọ ước lượng là 100

năm (BL, NTT)

1979

Máy laser GalnAsP 1,55

um (KDD, BL, TIT) dao động liên tục

Chế tạo sợi quang có Abastoes có độ tổn thất tối thiểu (NTT, 0.18 dB/km (1.55um))

lượng tử được chế tạo (Bell Lab)

Chế tạo sợi quang Flo (NRL) độ tổn thất 1000 dB/km

Continuous Oscillation (TIT)

(2.5 W Continuous Osciltation)

Frequency LD (KDD, Bel

Sợi quang fluor có độ tổn thất thấp (NRT, NTT) độ

Lab.) tổn thất 10 dB/km

1986

Single Mode, Single FrequencyLD Commercialization (NEC, Hitachi etc.)

Sợi quang fluor có độ tổn thất thấp, Độ tổn thất 1dB/km (khoảng2.5 um)

có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vự điện tử và viễn thông trong thế

Ánh sáng truyền qua môi trường môi trường có chiết suất khác nhau với vận tốc khác nhau Vận tốc của ánh sáng truyền trong chân không là c=300,000 m/s, Vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n là

n c

v 

Hình 1.2 Định luật phản xạ

Định luật Snell ( định luật khúc xạ ánh sáng)

2 2 1

Hình 1.3 Ánh sáng truyền đi trong sợi quang

Hiện tượng tất cả các tia sáng đều bị phản xạ hoàn toàn gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần và góc tới mà ở đó bắt đầu xảy ra hiện tượng phản xạ tòan phần gọi là góc tới hạn  c

Định luật Snell đưa ra : sin c n2/n1

1.2.2 Sự giao thoa ánh sáng

Sự lan truyền ánh sáng trong môi trường đồng nhất

Hình 1.4 Sự lan truyền ánh sáng trong môi trường đồng nhất

Góc phản xạ Góc tới

- Sóng đứng : khi bước sóng của ánh sáng thích hợp độ dài đường

truyền bằng bội số nguyên lần nửa bước sóng Hiện tượng các phản xạ lặp tạo nên sóng đứng là một khái niệm quan trọng để hiểu được các mode lan truyền trong sợi quang và nguyên lý cơ bản dao động laser

- Sự kết hợp của ánh sáng

Sự kết hợp là để chỉ mức độ giao thoa của ánh sáng Để có giao thoa xảy ra cần có những nguồn sóng ánh sáng đồng pha theo mặt phẳng đứng với hướng ánh sáng lan truyền Điều này giải thích được tại sao có ánh sáng laser ( phát xạ của anh sáng cưỡng bức của các nguyên tử xảy ra cùng pha) là thích hợp trong việc làm nguồn phát cho thông tin quang Ánh sáng mà có sóng cùng pha với một ánh sáng khác theo mặt phẳng đứng với phương truyền sóng của chúng được gọi là ánh sáng kết hợp không gian Laser phát ra ánh sáng có độ kết hợp không gian cao đóng vai trò quan trọng bởi vì sợi quang truyền tín hiệu trên một mode truyền dẫn trong lõi chịu ảnh hưởng của giao thoa Mặt khác ánh sáng khi truyền vào sợi quang từ linh kiện phát quang co xu hướng tỏa ra xung quanh do đó làm giảm hiệu suất đưa vào sợi quang Ánh sáng kết hợp không gian dễ dàng tập trung hơn bằng một thấu kính Điều này phù hơp khi đưa ánh sáng vào sợi quang có đường kính nhỏ

Hình 1.5: thí nghiệm Young

Ngoài đặc tính kết hợp không gian ánh sáng laser còn có một đặc tính quan trọng khác nữa đó là tính kết hợp theo thời gian Ánh sáng laser có tính chất là chỉ một bước sóng duy nhất, điều này giúp duy trì tính kết hợp không gian theo thời gian

1.3 Sợi quang

1.3.1 Cấu tạo của sợi quang

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại Như đã được trình bày trong hình 1.4, chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý Để bọc ngoài ta dùng các nguyên liệu mềm

và độ tổn thất năng lượng quang lớn

Hình 1.6 Cấu trúc cáp sợi quang

1.3.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Để đưa ánh sáng vào trong sợi quang có kích thước bé từ vài m tới vài chục

m

 người ta sử dụng thấu kính để tập trung ánh sáng và chỉ đưa vào sợi quang với một góc để góc phản xạ tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ sợi quang không thể lớn hơn góc tới hạn  c, sinmaxđược gọi là khẩu độ số (NA)

Hình 1.7a : ánh sáng truyền trong sợi quang

Hình 1.7b : góc nhận của sợi quang

2 2 2 1 max

1.3.3 Phân loại cấu trúc sợi quang

Các sợi quang được phân loại theo nhiều cách như phân loại theo vật liệu điện môi sử dụng, mode truyền dẫn, phân bố chiết suất khúc xạ của lõi

Phân loại sợi quang :

Bảng phân loại sợi quang

Sợi quang thạch anh Sợi quang thủy tinh đa vật liệu Phân loại theo vật liệu điện môi

Sợi quang bằng nhựa Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode truyền lan

Sợi quang đa mode Sợi quang chiết suất bậc Phân loại theo phân bố chiết suất khúc

- Phân loại theo vật liệu điện môi : có 3 loại, loại sợi bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh ( sợi quang thạch anh), một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh ( sợi quang thủy tinh đa vật liệu) và loại sợi bằng nhựa

Trong mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài Các sợi bằng nhựa thì thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong việc lắp đặt thủ công (dễ dàng hàn nối, không phương hại tới các đặc tính truyền dẫn khi bẻ gập) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém

- Phân loại theo mode lan truyền :có 2 loại, loại đơn mode chỉ cho phép một mode lan truyền, và loại thứ 2 là đa mode loại này cho pháp nhiều mode lan truyền hơn

- Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ : các sợi quang loại này có thể phân thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi Nhóm 1 là nhóm có chỉ số khúc xạ theo chiết suất phân bậc (SI).nhóm thứ 2 là nhóm có chiết suất biến đổi dần (GI)

Hình 1.9 sợi SI (đa mode)

Hính 1.10 Sợi loại GI

Loại GI là loại sợi quang có cấu trúc đặc biệt để truyền tải ánh sáng theo nhiều mode Trong sợi quang GI chiết suất sẽ biến đổi dần dần theo hướng đường kính sợi như vậy ánh sáng ở mode thấp hơn sẽ lan truyền qua một khoảng cách ngắn hơn, phản xạ trước khi tới biên của mặt phân cách lõi vỏ do đó ánh sáng gần như lan truyền ở tâm của lõi nơi cò chiết suất cao Hay nói cách khác mode cao hơn sẽ lan truyền qua khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong phần lõi có chiết suất thấp dạng phân bố tối ưu này sẽ cho các mode khác nhau nhưng truyền đến cùng một thời điểm

Hình 1.11 Sợi đơn mode

Loại SM tuy có sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ nhưng cực kỳ nhỏ

và chỉ được dùng cho lan truyền đơn mode SI thường để chỉ sợi quang đa mode

mà nó có chiết suất thay đổi một cách rõ ràng giữa lõi và vỏ

Cấu trúc sợi quang

Các tham số cơ bản để xác định cấu trúc của sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính vỏ, khẩu độ số NA… chúng được gọi là thông số cấu trúc của sợi quang Các thông số này ảnh hưởng đến một số thông số khác nhau của sợi quang như là : suy hao quang, độ rộng băng truyền, sức bền cơ khí, bộ đấu nối quang… ngoài ra còn có những thông số phụ như là : tỷ số không đồng tâm, tỷ số không tròn Tuy nhiên các thông số phụ ít ảnh hưởng đến đặc tính truyền dẫn nhưng chúng lại ảnh hưởng lớn đến tổn hao hàn nối sợi quang

Có 4 thông số xác định cấu trúc sợi quang đa mode là đường kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu đỗ số và dạng phân bố chiết suất khúc xạ Trong khi đó cấu trúc sợi quang đơn mode lại được xác định bằng 3 thông số như : thông số trường mode, đường kính lớp vỏ và bước sóng cắt

1.4 Đặc tính của sợi quang

1.4.1 Tổn hao sợi quang

Để xác định tốc độ truyền dẫn và khỏang cách trạm lặp của hệ thống thông tin sợi quang, có hai thông số phải nghiên cứu đó là tổn hao quang và độ rộng băng truyền dẫn đo tổn hao quang để xác định tổn hao công suất ánh sáng lan truyền trong sợi quang Nếu tổn hao nhỏ hơn thì sẽ cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn

Hình1.12 các nguyên nhân gây tổn hao quang

Tổn hao quang chia làm hai loại : thứ nhất là tổn hao do thuần túy sợi quang,

và thứ hai là các tổn hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống Nguyên nhân gây tổn hao quang được giải thích như sau : tổn hao hấp thụ và tổn hao Rayleigh

Tổn hao do hấp thụ : được phân chia làm 2 loại, một là do bản thân sợi quang, hai là do tạp chất trong thủy tinh làm sợi quang Tổn hao hấp thụ do tạp chất : các tạp chất trong nước, các ion chuyển tiếp ( các ion sắt, đồng, crom, coban

và các ion OH) đã làm tăng đặc tính suy hao.Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng trong khoảng 2.7µm và cùng tác động qua lại của cộng hưởng silic,

nó tạo ra đỉnh hấp thụ 750, 950 và 1000nm Giữa các đỉnh suy hao này là vùng suy hao thấp, có 3 cửa sổ ít suy hao là : 850, 1300 và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng trong hệ thống thông tin quang

Hình 1.13a Các đặc tính tổn hao của sợi quang theo bước sóng

Hình 1.13b Các đặc tính tổn hao của sợi quang

3

2

1

Hình 1.14 Mất mát quang do ánh sáng hấp thụ

Hình 1.15 Mất mát quang do tán xạ Rayleigh

Hình 1.16 Mất mát quang do sợi quang bị uốn cong lớn

Hình 1.17 Mất mát quang do sợi quang bị uốn cong nhỏ

1.4.2 Tán sắc ánh sáng và độ rộng băng truyền dẫn

Tán sắc mode : trong sợi quang đa mode tốc độ ánh sáng lan truyền theo các

tố độ khác nhau Hiện tượng này làm cho độ rộng khoảng trống giữa các xung nhỏ hơn Chính vì vậy trong sợi quang đa mode nguyên nhân chính là hạn chế băng thông của sợi quang là tán xạ mode Ngay cả sợi quang đa mode chiết suất parabol

kỹ thuật cao cũng không tránh khỏi tán xạ mode Do đó biện pháp tốt nhất để tránh tán xạ mode là dùng sợi quang chỉ một mode ( sợi đơn mode)

Tán sắc bước sóng : trong môi trường đồng nhất, chiết suất biến đổi theo bước sóng, như vậy tốc độ cũng biến đổi theo bước sóng Như ta đã biết ánh sáng truyền trong sợi quang không phải là một bước sóng duy nhất (cho dù là laser diode cũng là 1 dảy bước sóng dù hẹp) Bước sóng dài hơn sẽ có chiết suất bé hơn

và do đó sẽ di chuyển nhanh hơn Thêm vào đó là do chiết suất giữa lõi và vỏ là rất nhỏ nên không có hiện tượng phản xạ hoàn toàn như mong đợi mà có thêm sự thẩm thấu một phần ánh sáng ra ngoài Sự thẩm thấu này cũng phụ thuộc vào bước sóng, sóng ánh sáng dài sẽ có thẩm thấu mạnh hơn

Hình 1.18 Sự trải phổ của ánh sáng khi truyền trong sợi quang

Độ rộng băng truyền dẫn : được sử dụng như là một chỉ số để đo tần số điều chế tín hiệu ánh sáng cao nhất mà sợi quang có thể truyền dẫn được và nó được thể hiện về số lượng là 6dB độ rộng băng của đặc tính băng tần cơ sở của sợi quang

Độ rộng băng 6dB định nghĩa là dải tần số mà khi tới một tần số nào đó có biên độ tín hiệu đầu ra giải điều chế từ tín hiệu quang sau khi lan truyền khoảng cách 1Km giảm xuống còn ½ biên độ ( công suất ánh sáng giảm 3dB ) tín hiệu điều chế đầu vào

Hình 1.19 Băng thông sợi quang( tốc độ cao nhất có thể đạt được)

Như chúng ta đã biết sợi quang rất mỏng và dễ bị vỡ do các tác động cơ học nên vấn đề gia cố cơ học cho sợi quang cũng rất quan trọng để đưa sợi quang vào trong ứng dụng thực tế việc hàn nối các sợi quang cũng không đơn giản như cáp truyền thống, công việc hàn nối sợi quang đòi hỏi một số công cụ chuyên biệt với các theo tác kiểm tra chuyên dụng có 2 kiểu hàn nối sợi quang : hàn nối nóng chảy dùng cho các đầu nối đường truyền dài đòi hỏi tổn hao ít nhưng chi phí cao

và không cơ động phương pháp dùng đầu nối rất cơ động và ít tốn kém nhưng tổn hao nhiều, thường được dùng cho các thiết bị quang đầu cuối

Ngoài ra sợi quang cũng cần có một số tính năng sau để đảm bảo cho cáp thông tin :

Các đặc tính truyền dẫn phải ổn định dưới áp lực cũng như ảnh hưởng của môi trường xung quanh

Cáp phải có khả năng lắp đặt và vận hành như cáp kim loại thông thường Công việc bảo dưỡng cáp dể dàng

1.5 Linh kiện phát quang (Optical Transmitter ):

1.5.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng

Hình 1.20 Mức năng lượng và quá trình dịch chuyển

Cơ chế phát xạ ánh sáng được giải thích như sau : ở trạng thái cân bằng nhiệt các điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1 và không có điện tử nào ở trạng thái năng lượng cao E2 Khi có một năng lượng kích thích E = E2 - E1 cấp cho các điện tử này thì điện tử sẽ nhẩy từ mức năng lượng thấp E1 lên mức năng lượng cao E2 Nhưng trạng thái điện tử ở mức năng lượng cao E2 là trạng thái không bền

vì hạt nhân sẽ hút điện tử trở lại mức năng lượng thấp E1, đồng thời với sự dịch chuyển này một năng lượng E sẽ được giải phóng Tuy nhiên năng lượng E chỉ được giải phóng dưới dạng ánh sáng đối với một số vật chất vật liệu mà thôi

Trong trường hợp điện tử ở trạng thái mức năng lượng cao E2 nhưng lai có một năng lượng E tác động vào làm cho điện tử và làm cho điện tử trở về mức năng lượng E1 đồng thời phát ra mức năng lượng lớn hơn nhiều E Hiện tượng này

là hiện tượng bức xạ cưỡng bức, chỉ xảy ra ở laser

Hình 1.21 Nguyên lý dao động ánh sáng

Hình 1.22 Diode chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang

Hình 1.23 Dạng phát xạ của laser

Trong thực tế để bán dẫn phát xạ ánh sáng cần một dòng điện đủ lớn cung cấp, dòng diện đó gọi là dòng điện ngưỡng

Hình 1.24 Nhiệt độ ảnh hưởng lên công suất phát xạ của diode

Quá trình tạo ra điều kiện phát xạ ánh sáng có thể được tóm tắt như sau :

- Nếu một LED có cấu trúc dị thể kép, độ chênh lệch mức năng lượng giữa lớp

P và lớp N rất lớn, được gọi là hàng rào dị thể

- Khi đặt 1 dòng điện có hướng từ P sang N, các điện tử sẽ bị kéo về cực dương hay vùng hoạt chất và các lỗ trống sẽ bị kéo về cực âm hay về phía vùng hóa trị

- Các điện tử này sẽ bị giam tại vùng hoạt chất dưới tác dụng của hàng rào dị thể Từ đó tạo ra đảo lộn mật độ

-

1.5.3 Cấu trúc của linh kiện phát quang

Cấu trúc của laser diode : Cấu trúc của laser diode thường có 3 lớp P,N

và lớp kẹp giữa đóng vai trò của buồng cộng hưởng Để laser có thể dao động được cần thỏa mãn các điều kiện sau : sự chênh lệch mức năng lượng giữa vùng dẫn của chất bán dẫn loại p và vùng dẫn trong lớp hoạt chất phải lớn Độ chênh lệch mức

năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị của bán dẫn loại p cũng phải đủ lớn Và đồng thời đối với bán dẫn loại n ở vùng chuyển tiếp, mức năng lượng vùng hóa trị phải nhỏ hơn vùng tạp chất

Hình 1.25 cấu trúc của laser bán dẫn

Hình 1.26 Sơ đồ mức năng lượng của GaAs diode

Hình 1.27 cấu trúc của GaAs diode

Khi dao động laser xảy ra thì giữa hai gương phản xạ xuất hiện các sóng đứng Số lượng các sóng đứng xuất hiện trong buồng cộng hưởng là bội số nhân của nửa bước sóng và được gọi là các mode dọc

Điều kiện dao động của các mode dọc như sau :

L

n

m  2



Trong đó :

m là số mode

λ là bước sóng

n là chiết suất của môi trường

L là chiều dài của buồng cộng hưởng

Cấu trúc của LED : về cơ bản LED có cấu trúc tương tự diode laser , do cấu trúc

của LED không có sự khuếch đại và dao động ánh sáng trong vùng hoạt chất như laser nên ánh sáng thường phát ra từ một phía của điện cực

Hình 1.28 cấu trúc và chiết suất của GaAs diode các loại khác nhau

(a) - homojunction

(b) – single heterojunction

(c) – double heterojunction với các cải tiến về quang

(d) - double heterojunction với hốc cộng hưởng rộng bề dày d

Cấu trúc của DFBLD : ví có rất nhiều mode dọc tồn tại trong laser bán dẫn cổ

điển nên tín hiệu bị suy giảm rất lớn do tán màu khi truyền dẫn ở tốc độ cao và ngay cả khi dùng sợi quang đơn mode Để giải quyết vấn đề này thì phải giảm bớt

số mode dọc thêm một hạn chế nữa đối với laser cổ điển đó là khao3ng cách

truyền dẫn bị giới hạn rất lớn khi điều chế tín hiệu tốc độ cao vài trăm Mbps Do

đó laser DFBLD ra đời nhằm khắc phục các nhược điểm trên DFBLD với cấu trúc hồi tiếp bằng các cách tử gợn sóng đặt gần lớp hoạt chất nơi ánh sáng được thực hiện khuếch đại.Cấu trúc hồi tiếp phân bố có thể được coi như là kết hợp của nhiều buồng cộng hưởng ánh sáng phân bố, nó cho phép lựa chọn bước sóng đỉnh của laser tùy theo khoảng chu kỳ của cách tử nhiễu xạ nhờ vậy mà việc phát xạ bước sóng đơn sắc có thể thực hiện được độ rộng phổ công suất của DFBLD chỉ bằng 1/10 của loại laser Fabry-Perot ( cỡ 0.5nm), do đó có thể truyền dẫn dung lượng vài GHz mà không bị ảnh hưởng của tán sắc màu

Hình 1.29 So sánh laser cổ điển và laser DFB

Bảng so sánh các linh kiện phát quang

Linh kiện phát quang

1.6 Linh kiện thu quang (Optical Receiver)

1.6.1 Cơ chế thu quang

Thu quang có nghĩa là biến đổi ánh sáng thành điện, có 2 cách để thực hiện việc này Thứ nhất là biến đổi trực tiếp tín hiệu quang ra tín hiệu điện, cách này được goại là hiệu ứng quang điện cách thứ hai là biến đổi năng lượng quang thành năng lượng nhiêt và sau đó biến đổi năng lượng nhiết thành năng lượng điện, cách này gọi là hiệu ứng cảm nhiệt, cách này không được sử dụng trong thông tin quang bởi độ dáp ứng thời gian thực nó chậm

Cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thụ ánh sáng trong chất bán dẫn Khi ánh sáng đập vào vật thể bán dẫn , các điện tử vùng hóa trị sẽ dời tới vùng dẫn Để biến đổi năng lượng quang thành năng lượng điện, phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử vẫn còn riêng lẽ và chưa tái hợp lại

Trong linh kiện thu quang, cũng giống như các linh kiện phát xạ ánh sáng thì lớp chuyển tiếp p-n được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống Một điện trường được tạo ra gây nên sự chuyển động của điện tử trong vùng n và lỗ trống trong vùng p về phía (+) và (-) Nhờ vậy xung quanh lớp chuyển tiếp hình thành một vùng thiếu các điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo Khi ánh sáng chiếu đến và đập vào vùng p ở trạng thái này sẽ hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng n Trong quá trình đó, các điện tử và lỗ trống đã tạo ra tại vùng nghèo do hấp thụ sẽ chuyển về 2 vùng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường, tức là chuyển động về phía vùng n và p, như vậy chúng sẽ tách rời nhau

Hình 1.30 vùng nghèo

Vì không có điện trường ở các miền bên ngoài vùng ngheo nên các điện tử

và lỗ trống được tao ra do hiệu ứng quang điện sẽ được tái hợp trong quá trình chuyển động của chúng Tuy nhiên có vài điện tử và lỗ trống may mắn chuyển động vào vùng điện trường trong quá trình chuyển động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng của nhau Do vậy, sẽ có một hiệu điện thế sẽ được tao ra giữa các miền p – n có thế tỉ lệ thuận với số điện tử và lỗ trống được tách ra Nếu hai đầu p – n được nối với một mạch điện bên ngoài thì sẽ có một dòng điện chạy qua

Dòng điện được sinh ra tại vùng nghèo được gọi là dòng trôi và dòng sinh ra

ở các vùng xa hơn gọi là dòng khuếch tán Đây chính là nguyên lý đổi quang điện

1.6.2 Cấu trúc của linh kiện thu quang

Các linh kiện thu quang được chia làm 2 loại phụ thuộc vào độn thế cấp mạch ngoài : photo diode và diode quang thác Đối với loại PhotoDiode thì hiệu điện thế được cấp thấp hơn nhiều so với loại thứ 2

PIN : cấu tạo có 1 lớp bán dẫn không pha tạp chất giữa lớp p –n Dòng trôi đáp

ứng rất nhanh với điện trường bởi vì nó được tao ra trong vùng nghèo Ngược lại vùng khuếch tán được sinh ra ở ngoài vùng nghèo nên đáp ứng rất chậm Vùng nghèo càng lớn thì hiệu suất lượng tử và đáp ứng tần số của PIN PD càng lớn Độ rộng của vùng nghèo tăng lên vỉ nồng độ của điện tử và lỗ trống trong vùng p – n giảm xuống Chất bán dẫn loại i đặt nằm giữa nhằm tăng độ rộng vùng nghèo

Hình 1.31 Cấu trúc cơ bản của PIN

APD : Sử dụng tính chất nhân thác của các điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn

để thu được dòng lớn hơn so với các loại PD Về cấu trúc, người ta thêm vào một chất bán dẫn loại p có mật độ lỗ trống cao hơn mật độ lỗ trống lớp p Do đó điện trường nội tại gần lớp tiếp xúc có tâm tai vùng p trở thành rât lớn Các điện tử được kích thích lên vùng dẫn và vùng hóa trị hấp thụ ánh sánh tại vùng p+ có năng lượng lớn hơn nhiều so với mức năng lượng chênh lệch giữ vùng dẫn và vùng hóa trị khi chúng đi qua vùng bán dẫn p được gia tốc năng lượng của chúng ngày càng lớn đủ kích thích các điện tử trong vùng hóa trị tạo ra các điện tử và lỗ trống mới, đồng thời các điện tử và lỗ trống này lại được gia tốc bằng điện trường nội để tạo

ra các điện tử và lỗ trống mới Cứ như thế các các điện tử và lỗ trống tăng lên rất nhanh như thác đổ Kết quả là dòng điện tăng lên một cách đáng kể

Hình 1.32 Cấu trúc cơ bản của APD

Diode quang thác lũ : để có dòng ngỏ ra cao hơn so với loại PD thì APD phải

được cung cấp một thiên ngược cao hơn Khi thiên ngược càng cao thì các điện tử

sẽ thu được năng lượng càng lớn khi khi chuyển động, nếu năng lượng này vượt quá 1,5 lân độ rộng vùng cấm thì điện tử sẽ chạy vào vùng thác, khi va chạm mạng tinh thể thì một điện tử ở vùng hóa trị sẽ được kích thích lên vùng dẫn và cùng thời gian đó 1 lỗ trống sẽ được kích thích xuống vùng hóa trị Điện tử và lỗ trống được

ta ra thu một năng lượng thiên định lới sẽ tạo ra điện tử và lỗ trống mới Quá trình

cứ thế xảy ra liên tục và kết quả điện tử và lỗ trống được sinh ra như thác Trong APD thu dược dòng quang điện lớn nhờ vào nhân dòng thác này Ngoài ra, mức nhân dòng thác cũng có thể thay đổi được nhờ vào thay đổi thiên định ngược, điều này cho pháp ta thay đổi được dóng quang điện

Các đặc tính linh kiện thu quang và các ứng dụng

Điện thế hoạt động thấp

Rẽ tiền

Ứng dụng

Đường trục dài Đường trục ngắn Đường thuê bao

Hệ thống thuê bao

Hệ thống nhánh

Chương 2 : Thiết kế hệ thống thông tin Quang

Trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn, các yếu tố như chất lượng truyền dẫn trên toàn hệ thống, dung lượng truyền dẫn và các khoảng lặp là yêu cầu cơ bản chung

2.1 Lựa chọn các thành phần, thông số cơ bản

Trong thiết kế hệ thống truyền dẫn sợi quang, người ta chú ý đến các yếu tố

cơ bản để lưa chọn bước sóng họat động , sợi quang, các linh kiện phát quang, các linh kiện thu quang và các bộ tách ghép quang theo góc độ yêu cầu của chất lượng truyền dẫn khoảng cách trạm lặp, dung lượng truyền dẫn

Trong việc lựa chọn năm thông số cơ bản thì vật liệu đố với các linh kiện thu

và phát ánh sáng được xác định bằng bước sóng công tác, điều này không cần nói tới, nhưng yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến việc lưạ chọn bước sóng là đặc tính tổn hao vào và độ rộng băng ( tán sắc) của sợi quang Đối với linh kiện phát quang, yếu

tố thiết kế chính là điều chế tuyến tính, độ rộng phổ, công suất đầu ra, đáp ứng tần

số Còn đối với linh kiện thu quang là độ nhậy thu, đáp ứng tần số Khi sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng thì phải chú ý đến ảnh hưởng của tổn hao do các bộ ghép/tách quang gây ra và sợi quang phải được chọn phù hợp về các đặc tính tổn hao và độ rộng băng

Hình 2.1 các thông số cơ bản trong thiết kế hệ thống thông tin sợi quang

2.1.1 Bước sóng

Các bước sóng được sử dụng cho thông tin sợi quang được phân thành 2 nhóm : vùng 850nm thường được gọi là các bước sóng ngắn và vùng 1300nm và 1550nm được gọi là bước sóng dài Nghiên cứu về về cáp quang cho thấy rằng cáp quang có đặc tinh tốt hơn ở vùng có bước sóng dài khi tổn hao truyền dẫn và tán sắc là các nhân tố quyết định để xác định khoảng cách lặp

Đến nay, các linh phụ kiện sử dụng ở vùng bước sóng dài còn đắt do vậy vùng bước sóng ngắn thường được sử dụng cho các hệ thống mạng thuê bao chủ yếu hoạt động ở tốc độ thấp còn vùng sóng dài được sử dụng cho các hệ thống mạng đường dài đòi hỏi khoảng cách truyền dẫn trung bình và lớn với tốc độ truyền dẫn lớn Tuy nhiên, sự phát triển của của công nghệ linh kiện quang thì vùng bước sóng dài có đặc điểm ưu việt của nó đối với hệ thống thông tin quang

sẽ được sử dụng rộng rải trong tương lai

Hiện tại, người ta chỉ sử dụng ở vùng có bước sóng dài 1300 nm, nhưng gần đây triển vọng sử dùng bước sóng 1550nm cho phép tăng khoảng cách lặp trở thành hiện thực nên có thể sử dụng bước sóng 1300nm hoặc 1550 nm tùy thuộc vào yêu cầu khoảng lặp

Hình 2.2 Lựa chọn bước sóng ánh sáng

Bảng so sánh 2 bước sóng 1300nm và 850nm

quang Mục

Ứng dụng 1300 nm cho các hệ thống mạng thuê bao và đường dài Ứng dụng 1550 nm cho các hệ thống mạng đường dài

2.1.2 Linh kiện phát quang

Đối với các linh kiện phát quang, các LD có ưu thế hơn hẳn LED, nhưng quan điểm giá thành thì LED rẻ hơn nhiều Do đó , các LD thường dùng trong các hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao bởi vì nó có khả năng cho phép kéo dài khỏang cách lặp và độ rông băng vì công suất phát xạ lớn, độ rổng phổ hẹp và đáp ứng nhanh Đối với led thì nó phù hợp các hệ thống thuê bao tốc độ thấp và truyền dẫn tương

Ứng dụng của LD : truyền dẫn mạng đường dài tốc độ cao

Ứng dụng của LED : truyền dẫn số hoặc tương tự cho hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp

Độ tin cậy là một yếu tố quyết định trong việc lưa chọn LD hay LED Nhưng ngày nay, LD có thể đạt MTBF (độ tin cậy, khoảng thời gian giữa các bit lỗi) vượt quá 200 ngàn giờ do vậy rất khó khăn khi so sánh đến sự khác nhau về tính ổn định giữa LD và LED Thêm vào đó, trên góc độ phù hợp với sợi đơn mode SM thì LD chiếm ưu thế sử dụng rộng rãi trong tương lai

2.1.3 Linh kiện thu quang

Đối với các linh kiện thu quang, APD hoặc PD được lựa chọn trên quan điểm cân nhắc tới các đặc tính và giá thành cũng giống như đối với linh kiện phát quang APD cũng giống như laser thường phù hợp với các hệ thống mạng lưới đường dài

có tốc độ và độ nhạy cao, trong khi đó PD phù hợp với các hệ thống thuê bao tốc độ thấp

Bảng lựa chọn các phần tử thu quang

Mục

Loại

Ứng dụng của APD : truyền dẫn mạng đường dài tốc độ cao

Ứng dụng của PD : truyền dẫn cho hệ thống mạng thuê bao tốc độ thấp

2.1.4 Bộ tách ghép kênh quang

Trong việc thực hiện ghép kênh phân chia theo bước sóng thì tổn hao quang

do các bộ ghép/tách kênh quang là không thể tránh được, dẫn đến làm giảm khoảng cách trạm lặp Bởi vậy, việc lựa chọn ghép kênh phân chia theo bước sóng được quyết định trên sơ sở xem xét tới kinh tế như yếu tố giảm giá thành vì giảm số lượng sợi quang, tăng trạm lặp vì khoảng cách trạm lặp bị rút ngắn và chi phí tăng

do đầu tư các bộ ghép/tách kênh quang Vì các yếu tố trên nên các các bộ ghép/tách kênh quang thường được dùng trong các mạng tuyến thuê bao cự li ngắn vì lúc đó tăng thêm tổn hao do các bộ ghép/tách kênh quang sẽ không ảnh hưởng gì mấy

Các linh kiện LED và PD hoạt dộng ở bước sóng 850nm sẽ thường được dùng trong các hệ thống các mạng thuê bao hoặc dung lượng nhỏ, ngoài ra để kinh

tế hơn người ta còn dùng sợi quang GI ở loại mạng này Còn LD và APD họat động

ở bước sóng dài cùng với sợi SM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin đường dài Tuy nhiên, trong tương lai việc sử dụng LD và APD cùng sợi SM trong hệ thống thông tin ngắn và thuê bao cũng sẽ phổ biến hơn

Có hai loại sợi quang : loại đơn mode SM và loại đa mode chiết suất biến đổi

GI Loại sợi quang SM có đặc tính tổn hao và tần số rất tốt Nhưng ngược lại sợi GI lại có giá thành rất cạnh tranh Do đó loại SM thường được dùng trong các hệ thống thông tin đường dài đòi hỏi băng thông lớn và tổn hao thấp, còn loại GI sử dụng trong các hệ thống thông tin thuê bao tốc độ thấp

Tuy nhiên ngày nay với sự phát triển của công nghệ làm cho sự chênh lệch giá thành giữa SM và GI ngày càng rút ngắn nên càng ngày các hệ thống SM càng được dùng phổ biến hơn

Hình 2.3 Lựa chọn sợi quang theo đặc tuyến

Bảng lựa chọn sợi quang

2.2 Lựa chọn khoảng cách đặt trạm lặp tín hiệu

Khoảng cách lặp được xác định bởi các thông số độ tổn hao và tán sắc của sợi quang ( đối với sợi GI có tán sắc mode, sợi SM có tạp phần mode), sợi quang càng ít tổn hao thì khoảng cách trạm lắp càng lớn

Giới hạn tổn hao phụ thuộc vào bước sóng sử dụng, giới hạn tán sắc được xác định bởi mối quan hệ giữa điều kiện mode – dao động (toàn bộ dải bước sóng dao động nửa biên độ) của các linh kiện phát quang và lượng tán sắc của các sợi quang Đặt biệt hiệu ứng do tán sắc của các linh kiện phát quang và lượng tán sắc của các sợi quang bắt đầu tăng lên tại một điểm nhất định, do đó việc thiết kế thường được thực hiện tại một điểm mà hiệu ứng tán sắc không đóng vai trò quyết định, tức là tại các điểm mà chỉ có giới hạn tổn hao cần tính đến

Tuy nhiên khoảng cách trạm lặp là một hàm số của tốc độ bit (tốc độ truyền dẫn) tại một giá trị tổn hao nhất định của sợi quang bởi vì ảnh hưởng của tạp nhiệt tương ứng với độ rộng băng được đặt ra với mạch điều khiển

Hình 3.4 trình bày phương pháp phương pháp thiết kế cơ bản khoảng cách trạm lặp trên cơ sở thiết lặp S/N Khoảng cách trạm lặp cơ bản được bắt nguồn từ các thông số như công suất quang Ps của máy phát, công suất thu quang nhỏ nhất Prcủa máy thu được xác định từ tỉ số S/N cần thiết và tổn hao giữa máy phát và máy thu Tổn hao cho phép của sợi quang được tính bằng cách lấy độ chênh lệch công suất đầu phát và đầu thu trừ đi tổn hao nội P0 do đầu kết nối giữa các bộ lặp và sợi

quang và công suất dự phòng Pm là sự suy giảm do tuổi thọ…khoảng cách lặp lại L được tính bằng tỉ số giữa tổn hao cho phép Ls là độ tổn hao của một đơn vị khoảng cách của sợi cáp quang

Hình 23.4 Thiết kế khoảng lặp lai

Hình 2.5 Sơ đồ trạm lặp

Thiết lặp bao gồm bộ phận thu và bộ phận phát tương tự như các bộ phận thu

và phát Một số thiết bị lặp cao cấp còn có cả mạch kiệm tra lỗi để khởi tạo quá trình truyền tín hiệu nguyên thủy Hầu hết các bộ lặp được thiết kế tự vận hành, đóng gói chắc chắn để có thể làm việc ở những nơi khó có thể tiếp cận như trong làng đại dương, hay trên đỉnh núi cao…, Việc đóng gói chắc chắn nhằm đảm bảo thiết bị sẽ không bị hư hỏng trong nhiều năm vận hành

Ngoài ra một số bộ lăp còn thiết kế một khóa tự động cho phép tín hiệu truyền qua, bộ phận tự động cho phép truyền qua này sẽ được tích cực khi có sự cố làm bộ lặp bị hư hỏng thiết bị lặp chính Điều này cho phép hệ thống thông tin làm

việc liên tục mặc dù chất lượng thông tin sẽ bị ảnh hưởng khá nhiều trước khi hệ thống sửa chữa

2.3 Các thông số cần lưu ý khi thiết kế

2.3.1 Băng Thông và thời gian trễ của tín hiệu

Có hai cách tính băng thông, BW quang và BW điện Mối liên hệ của

BW điện BW và thời gian lên của tín hiệu được thể hiện bằng công thức sau :

BW=0.35/trĐối với hệ thống tương tự thì BW là nói đến băng thông điện

BWelectric Thời gian lên của hệ thống tính bằng công thức sau :

2 / 1 2 2 2

1 )(  

2.3.2 Suy hao đường truyền

Năng lượng tín hiệu đến đầu dò phải đủ lớn để phát hiện ra tín hiệu với ít lỗi nhất điều này có nghĩa năng lượng tín hiệu tới đầu dò phải lớn hơn tín hiệu nhiễu hiện tại tại thiết bị thu Nói một cách rõ ràng hơn năng lượng Pr nhận được tại đầu thu phải đủ lớn hơn năng lượng ngưỡng của thiết bị thu là Ps( độ nhậy của thiết bị thu) Ps có liên quan đến BER, ví dụ như thiết bị có độ nhậy thu là -45dBm (tương ứng với năng lượng là 31.6nW) sẽ cho BER là 10-9 có nghĩa là khi năng lượng đến thiết bị thu là 31.6nW thì tỉ lệ nhận lỗi bit là 1 bit trên 109 bit nhận được