Nâng cao độ nhạy ở bộ thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp

Sự kết hợp này tạo ra tính ưu việt của hệ thống thông tin quang kết hợp như: nâng cao độ nhạy và khả năng lựa chọn độ nhạy thu, tín hiệu ra có công suất lớn, tận dụng được các thành phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ DƯƠNG TRẦN

NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HỢP

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số ngành: 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2003

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

***

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS TS ĐẶNG LƯƠNG MÔ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS TRẦN XUÂN PHƯỚC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 08 tháng 11 năm 2003

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: LÊ DƯƠNG TRẦN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04 – 08 – 1978 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số ngành: 2.07.01

I TÊN ĐỀ TÀI:

NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HỢP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về quang và hệ thống thông tin quang

• Nghiên cứu và khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp

• Thực hiện mô phỏng hệ thống thông tin quang với kỹ thuật thu quang trực tiếp và thu quang kết hợp

• So sánh, đánh giá chất lượng qua các thông số như BER, độ nhạy, …

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương): 24 – 04 – 2003

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận văn): 08 – 11 – 2003

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

(Ký tên và ghi rõ họ, tên, học hàm và học vị) Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Lời Cảm Ơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy VŨ ĐÌNH THÀNH, người thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất để giúp em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã dạy dỗ và chỉ bảo em trong những năm học vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Điện Tử – Viễn Thông của trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin gởi lời biết ơn sâu sắc nhất đến cha, mẹ và các người thân trong gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này

quang nhờ khả năng kết hợp một tín hiệu dao động nội với tín hiệu mang thông tin Sự kết hợp này tạo ra tính ưu việt của hệ thống thông tin quang kết hợp như: nâng cao độ nhạy và khả năng lựa chọn độ nhạy thu, tín hiệu ra có công suất lớn, tận dụng được các thành phần của sóng ánh sáng, … so với kỹ thuật thu quang trực tiếp Luận án nhằm mục đích khảo sát và chứng minh tính ưu việt của kỹ thuật thu quang kết hợp so với thu quang trực tiếp qua các thông số đặc tính của một bộ thu quang như BER, giới hạn lượng tử, độ nhạy, …

Luận án bao gồm 06 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin quang

Chương 2: Truyền tín hiệu trong sợi quang

Chương 3: Hệ thống thông tin quang

Chương 4: Thu quang

Chương 5: Kỹ thuật thu quang kết hợp

Chương 6: Chương trình mô phỏng

communication systems by combine a local oscillate signal with a information signal This combination create preeminent of coherent optical communication system as: increase sensitivity and choose receive sensitivity, out signal has large power, use components of the light wave, ect … in comparison with direct optical receive technology Thesis in order to survey and demonstrate the preeminent of coherent optical receive technology against direct optical receive technology through property parameters of optical receiver as: BER, quantum limit, sensitivity, …

This thesis contains 06 chapters:

Chapter 1: Overview ablout optical communication

Chapter 2: Transmit signal in optical fiber

Chapter 3: Optical communication system

Chapter 4: Optical receive

Chapter 5: Coherent optical receive technology

Chapter 6: Simulation program

bảo mật cao, suy hao thấp và ít chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, sợi quang là một phương tiện truyền dẫn tốt nhất hiện nay Mặc dù có giá thành cao, kỹ thuật xử lý khá phức tạp và chưa được sử dụng rộng rãi ở nước ta, sợi quang đang dần trở thành môi trường truyền dẫn chủ yếu để chuyển tải hầu hết dung lượng thông tin đường dài trong nước và quốc tế Mạng viễn thông dựa trên công nghệ sợi quang đang trở thành hệ thống truyền thông chính, với các tuyến sợi quang có dung lượng lớn được lắp đặt trên toàn cầu, trên đất liền và cả dưới biển Cùng với sự phát triển về hệ thống và công nghệ cáp quang, như tạo ra các loại laser diode có độ rộng phổ rất hẹp phù hợp với các hệ thống thông tin quang, cải thiện tính ổn định tần số và công suất phát của laser, tạo ra các thiết

bị quang thụ động với những công nghệ chế tạo tinh vi và độ chính xác cao, …, việc nghiên cứu, khảo sát để tìm ra các phương pháp, kỹ thuật xử lý và truyền dẫn tín hiệu bên trong cáp quang với mục đích nâng cao chất lượng, độ tin cậy, … là vấn đề cần quan tâm Nắm bắt vấn đề này, tôi thực hiện nghiên cứu đề tài:

“Nâng cao độ nhạy ở bộ thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp”

Trong luận văn này trình bày về một kỹ thuật xử lý gọi là Kỹ thuật thu quang

kết hợp Đây là một kỹ thuật mang lại nhiều hiệu quả như tận dụng được băng

tần rất rộng của ánh sáng và sợi quang, truyền được một số lượng lớn kênh, nâng cao và khả năng lựa chọn độ nhạy thu, … Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn chỉ được áp dụng trong một vài lĩnh vực giới hạn, trong phạm vi các phòng nghiên cứu do các hạn chế về công nghệ và tính kinh tế Kỹ thuật thu quang kết hợp vẫn tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện, trong tương lai có thể thay thế các kỹ thuật đang sử dụng hiện nay

quang và hệ thống thông tin quang, cấu tạo cũng như một số các đặc tính của cáp quang

Chương 2: Truyền tín hiệu trong sợi quang Chương này trình bày một số các

đặc điểm của ánh sáng, các cơ chế xử lý ánh sáng quan trọng trong một hệ thống thông tin quang và các vấn đề về suy hao và méo tín hiệu trong sợi quang

Chương 3: Hệ thống thông tin quang Chương 3 liệt kê một số các thành

phần linh kiện quan trọng thường có trong một hệ thống thông tin quang, vấn đề về ghép công suất quang, điều chế và mã hóa tín hiệu, …

Chương 4: Thu quang Các vấn đề cơ bản và các thông số thể hiện đặc tính

của một bộ thu quang được trình bày trong chương này

Chương 5: Kỹ thuật thu quang kết hợp Chương này là phần chính của luận

văn, tập trung vào phân tích các đặc điểm và tính chất của kỹ thuật thu quang kết hợp, so sánh, đánh giá kỹ thuật này với kỹ thuật thường được sử dụng hiện nay là thu quang trực tiếp

Chương 6: Chương trình mô phỏng Đây là phần cuối cùng của luận văn

nhằm mục đích khảo sát và minh họa các vấn đề đã đưa ra trong các chương trên

Vì đây là một vấn đề khá mới, tài liệu tham khảo rất hạn chế và thời gian có hạn, luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

Giới thiệu

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về thông tin quang

1.1 Tổng quan 1

1.1.1 Các loại hệ thống thông tin 1

1.1.2 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin quang 3

1.1.3 Các ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang 6

1.1.4 Các phần tử của tuyến truyền dẫn quang 7

1.2 Sợi quang 9

1.2.1 Cấu tạo sợi quang 9

1.2.2 Phân loại sợi quang .10

1.2.3 Suy hao sợi quang 14

1.2.4 Tán sắc ánh sáng và băng thông sợi quang 16

Chương 2: Truyền tín hiệu trong sợi quang 2.1 Các đặc điểm của ánh sáng 19

2.2 Khẩu độ số 21

2.3 Biến đổi điện – quang 22

2.3.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 22

2.3.2 Phát xạ ánh sáng của chất bán dẫn 23

2.4 Cơ chế thu quang 24

2.5 Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang 26

2.5.1 Suy hao tín hiệu 26

2.5.2 Méo tín hiệu 32

3.1 Các thành phần của hệ thống thông tin quang 41

3.1.1 Bộ ghép 41

3.1.2 Bộ cách ly và bộ truyền 42

3.1.3 Nguồn phát quang 43

3.1.4 Tách sóng quang 48

3.1.5 Bộ khuếch đại quang 56

3.1.6 Bộ ghép kênh và bộ lọc 59

3.1.7 Bộ chuyển mạch 60

3.1.8 Bộ chuyển đổi bước sóng .63

3.2 Ghép công suất quang 64

3.3 Điều chế và mã hóa 66

3.3.1 Điều chế 66

3.3.2 Mã hóa 68

Chương 4: Thu quang 4.1 Hoạt động của bộ thu quang cơ bản 70

4.1.1 Cấu hình bộ thu quang 70

4.1.2 Truyền dẫn tín hiệu số 71

4.1.3 Các nguồn gây lỗi 72

4.2 Tính toán chất lượng máy thu số 75

4.2.1 Xác suất lỗi 75

4.2.2 Giới hạn lượng tử 78

4.2.3 Nhiễu 80

4.2.4 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 83

5.2 Thu quang trực tiếp 89

5.3 Thu quang kết hợp 91

5.3.1 Tách sóng đồng tần (homodyne) 93

5.3.2 Tách sóng sai tần (heterodyne) 94

5.4 Các kỹ thuật điều chế 97

5.4.1 Tách sóng trực tiếp OOK 97

5.4.2 Tách sóng đồng tần OOK và PSK 98

5.4.3 Tách sóng sai tần OOK, PSK và FSK 101

Chương 6: Chương trình mô phỏng 6.1 Lý thuyết mô phỏng 104

6.1.1 Điều chế ASK (OOK) 104

6.1.2 Điều chế PSK 106

6.1.3 Điều chế FSK 108

6.2 Chương trình mô phỏng 108

6.3 Kết quả mô phỏng 119

Kết luận và hướng phát triển 151

Tài liệu tham khảo 153

Nơi nhận bản tin

Hình 1.1: Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin

1.1.1 Các loại hệ thống thông tin

Cho tới nay có rất nhiều các loại hình hệ thống thông tin Động cơ thúc đẩy sự ra đời của một hệ thống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc độ truyền dữ liệu để có thể truyền được nhiều thông tin hơn nữa, hoặc tăng khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lặp Trước thế kỷ XIX, tất cả các hệ thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rất thấp và về cơ bản, chỉ dưới dạng ánh sáng hay âm thanh như đèn tín hiệu hay kèn Một trong những tuyến truyền dẫn ánh sáng được biết sớm nhất đó là sử dụng lửa của những người Hy Lạp trong

thế kỷ XIII trước Công Nguyên để truyền các tín hiệu báo động, lời cầu cứu hay các thông báo về một số sự kiện nào đó Chỉ có một loại tín hiệu được sử dụng và ý nghĩa của nó được qui định trước giữa người gửi và người nhận Trong thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, khoảng cách truyền dẫn đã được mở rộng thông qua việc sử dụng các trạm lặp Khoảng năm 150 trước Công Nguyên, các tín hiệu nhìn thấy này được mã hóa theo các ký tự Alphabet để sau đó bất kì một bản tin nào cũng có thể phát đi được Những cải tiến cho các hệ thống này đã không được theo đuổi một cách tích cực vì những hạn chế về công nghệ Ví dụ: tốc độ của một tuyến thông tin bị hạn chế bởi vì sử dụng mắt người như một thiết

bị thu, đòi hỏi các tuyến truyền dẫn có tầm nhìn thẳng và các ảnh hưởng của sương mù, mưa đã làm cho tuyến truyền dẫn trở nên không tin cậy Do đó việc gửi các bản tin bằng người đưa thư trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn

Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B Morse đã mở ra một kỷ nguyên thông tin mới – kỷ nguyên thông tin điện Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên sử dụng cáp đồng bắt đầu từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo các công trình như vậy được xây dựng trên khắp thế giới Việc sử dụng cáp đồng để truyền dẫn thông tin đã được mở rộng bằng việc xây dựng tổng đài đầu tiên tại New Haven, Connecticut vào năm 1878 Cáp đồng là môi trường truyền dẫn thông tin điện duy nhất trước khi có sự phát hiện của Heinrich Hertz về bức xạ điện từ bước sóng dài vào năm 1887 Năm 1895, lần đầu tiên Guglielmo Marconi ứng dụng bức xạ này để truyền tín hiệu vô tuyến

Trong những năm sau đó, người ta càng ngày càng mở rộng việc sử dụng phổ tần số điện từ để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác Trong các hệ thống điện, dữ liệu thường được truyền trên các kênh thông tin bằng cách chồng tín hiệu chứa thông tin lên một sóng điện từ gọi là sóng mang Tại phía thu, thông tin được tách ra khỏi sóng mang và được xử lý theo ý muốn Lượng thông tin cần

được truyền liên quan trực tiếp đến dải tần sóng mang hoạt động, việc tăng tần số sóng mang về mặt lý thuyết sẽ làm tăng độ rộng băng truyền và kết quả là tạo ra dung lượng thông tin lớn hơn Do đó, khuynh hướng trong phát triển các hệ thống thông tin điện là sử dụng các tần số cao dần lên, điều này làm tăng độ rộng băng và dung lượng thông tin cũng được tăng lên tương ứng dẫn đến sự ra đời lần lượt của vô tuyến truyền hình, radar và các tuyến vi ba

1.1.2 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin quang

Điều đáng chú ý nhất trong thông tin sợi quang là sự ra đời của nguồn laser vào năm 1960 Vì các tần số ánh sáng cỡ 5x1014 Hz nên về lý thuyết nguồn laser có dung lượng thông tin lớn hơn các hệ thống vi ba 105 lần, tương đương bằng 10 triệu kênh TV

Với khả năng truyền dẫn băng rộng rất lớn như vậy, trong đầu những năm 1960, người ta đã thực hiện một số các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí để truyền tín hiệu Các kết quả thử nghiệm này cho thấy việc điều chế một sóng mang ánh sáng kết hợp tại các tần số rất cao là rất khả thi Tuy nhiên, chi phí lắp đặt, giá các thành phần cần thiết rất cao và những hạn chế của kênh không khí do mưa, sương mù, tuyết và bụi đã khiến cho các hệ thống có tốc độ rất cao này trở nên kém hấp dẫn về mặt kinh tế so với nhu cầu dung lượng kênh thông tin lúc đó

Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì chúng có thể tạo ra kênh quang tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí Ban đầu thì suy hao vô cùng lớn đã khiến chúng dường như trở nên không thực tế Điều này đã được thay đổi vào năm 1966 khi Kao, Hockman và Werst gần như đồng thời phán đoán ra rằng những giá trị suy hao lớn này là kết quả của độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang và cho rằng có thể giảm được những giá trị suy hao này tới một giá trị mà ở đó các ống dẫn sóng ánh sáng trở thành

môi trường truyền dẫn khả thi Điều này đã trở thành hiện thực vào năm 1970 khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo một sợi Silica có suy hao là 20 dB/km (hệ số suy hao công suất tín hiệu là 100 lần/km) Tại giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng,

do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật

Trong hai thập kỷ tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu để làm giảm giá trị suy hao xuống còn 0,16 dB/km tại bước sóng 1550 nm, một giá trị gần với giá trị lý thuyết là 0,14 dB/km

Sự phát triển và ứng dụng của các hệ thống sợi quang đã bùng nổ do sự kết hợp của công nghệ bán dẫn, công nghệ đã cung cấp các nguồn sáng và các bộ tách quang cần thiết, và công nghệ ống dẫn sóng quang Kết quả là tạo ra tuyến truyền dẫn thông tin có các ưu điểm nổi bật so với các hệ thống cáp đồng truyền thống:

• Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn Sợi quang có các giá trị suy

hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn hơn cáp đồng Điều này có nghĩa là

ta có thể truyền đi nhiều dữ liệu hơn với khoảng cách dài hơn bằng các hệ thống cáp sợi quang, do đó giảm số lượng cáp và giảm số lượng các bộ lặp cần thiết, dẫn đến giảm chi phí và tính phức tạp của hệ thống

• Kích cỡ và trọng lượng nhỏ Trọng lượng và kích cỡ nhỏ của sợi quang là một

ưu điểm nổi bật so với cáp kim loại kềnh càng, nặng nề khi lắp đặt trong ống dẫn cáp ngầm chằng chịt trong thành phố hay trong tủ cáp treo trên tường

Ưu điểm này cũng rất quan trọng trong lĩnh vực vũ trụ, vệ tinh, tàu thủy và trong các ứng dụng chiến thuật quân sự yêu cầu việc lắp đặt và thu hồi một số lượng cáp lớn trong thời gian ngắn

• Chống can nhiễu tốt Đặc điểm quan trọng nhất này của cáp sợi quang liên

quan đến bản chất điện môi của chúng Chính bản chất này cho phép các ống

dẫn quang có khả năng chống sét và chống can nhiễu điện từ trường cảm ứng từ các đường dây mang tín hiệu Đặc tính này cũng đảm bảo cáp quang không chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng xung, đây là lĩnh vực được đặc biệt quan tâm trong các ứng dụng quân sự

• Cách điện tốt Vì cáp quang được chế tạo bằng thủy tinh, là chất cách điện,

nên việc tiếp đất là không cần thiết, xuyên âm sợi sang sợi là rất nhỏ và các vấn đề liên quan đến giao diện của thiết bị trở nên đơn giản hơn Điều này cũng làm cho việc sử dụng cáp quang trở nên hấp dẫn hơn trong môi trường có điện áp cao vì cáp quang không tạo ra hồ quang và tia lửa

• Bảo mật Sử dụng cáp quang để truyền dẫn sẽ tăng khả năng bảo mật tín

hiệu vì tín hiệu quang được truyền trong ống dẫn (không một bức xạ ánh sáng nào có thể lọt được ra ngoài vì đều bị hấp thụ bởi lớp vỏ chắn sáng bên ngoài) Điều này làm cho cáp quang trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng mà việc bảo mật thông tin là quan trọng, ví dụ như ngân hàng, các mạng máy tính và các hệ thống quân sự

• Nguyên liệu thô sẵn có Silica là nguyên liệu chính để chế tạo cáp quang

Nguyên liệu này rất sẵn và rẻ vì nó có trong cát thường Chi phí sản xuất cáp quang phát sinh tập trung chủ yếu ở khâu tạo thủy tinh tinh khiết từ nguyên liệu thô

Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm nổi trội, hệ thống thông tin quang cũng có những nhược điểm:

• Vấn đề biến đổi điện – quang và biến đổi quang – điện Tín hiệu điện phải

biến đổi thành tín hiệu quang trước khi đưa vào sợi quang để truyền đi Tại đầu thu, tín hiệu quang được biến đổi trở về tín hiệu điện tương ứng Các quá trình này được thực hiện sử dụng các linh kiện phát – thu quang Các linh kiện này được yêu cầu rất khắt khe về độ chính xác, tính ổn định, … Ngoài ra

chi phí của các thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần được xem xét trong các ứng dụng

• Đường truyền thẳng Cáp quang cần có đường truyền thẳng Với những nơi

có địa hình phức tạp, gồ ghề không bằng phẳng thì việc chạy các đường cáp quang rất khó khăn và tốn kém Những nơi như rừng núi hay một số khu vực đô thị, các phương pháp thông tin vô tuyến có thể thích hợp hơn

• Yêu cầu lắp đặt đặc biệt Do sợi quang chủ yếu làm bằng thủy tinh Silic nên

cần phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặt các tuyến thông tin quang Các phương pháp lắp đặt cáp đồng thông thường không còn áp dụng được nữa Đồng thời còn phải có các thiết bị thích hợp để kiểm tra đo thử các sợi quang Các kỹ thuật viên phải được đào tạo về lắp đặt và triển khai cáp quang

• Vấn đề sửa chữa Không dễ dàng sửa chữa các đường cáp quang bị hư hỏng

Các qui trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp Đôi khi cần phải thay thế toàn bộ cáp bị hỏng Khi thiết kế hệ thống cáp quang cần có việc định tuyến linh hoạt phòng bị cho những tình huống hỏng hóc bất ngờ trên các đường cáp quang

1.1.3 Các ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang

Những ứng dụng đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn cáp quang chủ yếu là làm các đường trung kế Ngoài ra, cáp sợi quang còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng số và tương tự Một trong các ứng dụng đó là dùng sợi quang trong các mạch vòng thuê bao (mạng nội hạt phân bố dịch vụ thoại và video) Sợi quang cho phép truyền cả hai loại hình dịch vụ thông tin băng hẹp và băng rộng như thoại thông thường, thoại ISDN (Intergrated Service Digital Network: Mạng số liên kết đa dịch vụ), hội nghị video và truyền số liệu cực nhanh Một ứng dụng quan trọng của sợi quang là trong mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN Mạng

ISDN có thể cung cấp các loại hình dịch vụ như: thoại, fax, truyền số liệu, videotex, đo lường từ xa, thoại video quảng bá Các tốc độ truyền dẫn từ 1,7 Gbit/s dùng làm đường trung kế thoại, đến 10 Gbit/s dùng trong mạng ISDN băng siêu rộng

Đặc tính của các hệ thống sợi quang đã được nhanh chóng cải thiện trong một thời gian ngắn Tuy phát triển nhanh chóng và có nhiều ứng dụng thành công song công nghệ sóng ánh sáng thậm chí vẫn chưa đạt tới mức hoàn thiện

1.1.4 Các phần tử của tuyến truyền dẫn quang

Mỗi tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm các phần tử như mô tả trong hình 1.2 Những phần tử chính là:

• Phần phát: bao gồm một nguồn ánh sáng và mạch điều khiển nguồn sáng, một ống cáp bảo vệ về cơ lý và môi trường cho các sợi quang

• Phần thu: bao gồm một khối tách sóng quang, mạch khôi phục và khuếch đại tín hiệu

• Các phần tử phụ là các bộ kết nối quang, bộ chia, bộ ghép hay tách tia và bộ lặp

Sợi quang được bọc cáp bảo vệ là một trong những phần tử quan trọng nhất trong một tuyến cáp quang Ngoài việc bảo vệ cho các sợi thủy tinh trong quá trình lắp đặt và khai thác, ống cáp còn có thể chứa dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp Khi tuyến cáp quang có khoảng cách truyền dẫn dài thì các bộ lặp là rất cần thiết, nó khuếch đại và tái tạo lại hình dạng của tín hiệu

Tương tự như cáp đồng, việc lắp đặt cáp quang có thể là treo, đi trong ống dẫn, thả dưới biển hay chôn trực tiếp dưới đất Độ dài sợi cáp sẽ nằm trong khoảng từ một vài trăm mét đến một vài kilomet đối với những ứng dụng có khoảng cách truyền dẫn lớn

Hình 1.2: Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang

Bộ chia quang

Mạch điều khiển Nguồn sáng

Tín hiệu điện

đầu vào

Máy thu quang

Máy phát quang

Mạch điện

Khôi phục tín hiệu

Bộ tách sóng quang

Tín hiệu điện

đại quang Máy phát

Máy thu

Bộ nối

Bộ ghép hoặc chia

Sau khi tín hiệu quang được phát vào sợi quang, nó sẽ bị suy hao và bị tăng dần độ méo theo khoảng cách do hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc Tại máy thu, tín hiệu sẽ được tách sóng bằng photodiode Tương tự như nguồn quang, tách sóng quang cũng là một thiết bị tuân theo luật bình phương vì nó biến đổi trực tiếp công suất ánh sáng thu được thành dòng điện lối ra Photodiode PIN (p-i-n photodiode) và photodiode APD (Avalanche photodiode: photodiode thác) là hai loại thiết bị tách sóng quang được sử dụng chủ yếu trong các tuyến sợi quang Cả hai loại thiết bị này đều có hiệu suất và tốc độ đáp ứng cao Với các ứng dụng mà tín hiệu ánh sáng thu được có công suất thấp thì thường sử dụng photodiode APD vì nó có độ nhạy cao hơn nhờ cơ chế khuếch đại nội (hiệu ứng thác)

Máy thu luôn phức tạp hơn máy phát vì nó phải vừa khuếch đại vừa tái tạo tín hiệu bị suy hao mà photodiode thu được Thông số chính xác định chất lượng một máy thu là công suất quang cực tiểu cần thiết sao cho ứng với một tốc độ dữ

liệu cho trước vẫn đạt được xác suất lỗi yêu cầu của hệ thống số (còn gọi là độ nhạy của máy thu) hoặc tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhiễu đối với hệ thống tương tự Năng lực hoạt động của một máy thu phụ thuộc vào loại photodiode, các tác động của tạp âm trong hệ thống và các đặc tính của các tầng khuếch đại liên tiếp trong máy thu

Khi tín hiệu được truyền trên sợi quang, nó sẽ bị suy hao và méo, ở một mức độ nào đó thì sẽ cần phải có bộ lặp làm nhiệm vụ khuếch đại và tái tạo tín hiệu Một bộ lặp quang bao gồm một máy thu và một máy phát đặt liền kề nhau Phần máy thu sẽ tách tín hiệu quang và biến đổi thành tín hiệu điện rồi khuếch đại, tái tạo hình dạng và truyền đến lối vào của máy thu Máy thu biến đổi tín hiệu điện trở lại thành tín hiệu quang và phát vào sợi

1.2 Sợi quang

1.2.1 Cấu tạo sợi quang

Cấu tạo cơ bản của một sợi quang được trình bày như trong hình 1.3 Sợi quang có dạng hình trụ dài trong suốt, bao gồm ba lớp: lõi ở giữa truyền tải ánh sáng, vỏ bao bọc xung quanh phần lõi để giữ ánh sáng chỉ lan truyền trong lõi và lớp bọc bảo vệ Lõi và vỏ thường được làm bằng thủy tinh Silic trong khi lớp bọc bảo vệ ngoài cùng là một vỏ nhựa hay bằng sợi tổng hợp

Lõi và vỏ khác nhau đôi chút về thành phần cấu tạo do những lượng nhỏ các nguyên tố Bo hay Ge được thêm vào trong quá trình sản xuất Việc này làm biến đổi chiết suất của hai lớp (tức là thay đổi chỉ số khúc xạ) tạo ra những tính chất giam giữ ánh sáng cần thiết để truyền lan các tia sáng trong sợi quang

Chiết suất của lõi làm bằng Silica là khoảng 1,5 và của vỏ nhỏ hơn một chút, khoảng 1,48 Chiết suất của không khí là 1,003 Lớp bọc thường được phủ đơn sắc sử dụng các mã đơn sắc do nhà sản xuất qui định để dễ phân biệt sợi quang

Các sợi quang cũng có thể làm bằng nhựa hoặc bằng các vật liệu khác Những

vật liệu này thường rẻ hơn nhưng có suy hao lớn hơn và hạn chế các ứng dụng

Lõi Vỏ Lớp bọc

Hình 1.3: Cấu tạo sợi quangCác sợi quang dùng cho viễn thông được sản xuất ở 5 đường kính lõi và vỏ chủ

yếu sau:

Bảng 1.1: Các đường kính thông dụng của sợi quang và lớp vỏ (μm)

1.2.2 Phân loại sợi quang

Sợi quang được phân loại theo nhiều cách, nhưng chủ yếu được phân loại theo

các yếu tố sau:

• Phân loại theo vật liệu điện môi: gồm có 3 loại, một loại sợi bao gồm phần

lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh và một

loại là sợi bằng nhựa Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất 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 Loại sợi bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém

• Phân loại theo mode lan truyền: sợi quang được chia thành hai nhóm Một là sợi quang đơn mode, loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền Loại sợi thứ hai là loại đa mode, cho phép nhiều mode lan truyền

• Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ: phân thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi Loại thứ nhất là sợi quang chiết suất phân bậc, ở loại sợi này chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ Loại thứ hai gọi là sợi quang chiết suất biến đổi, loại này có chiết suất thay đổi một cách từ từ

Bảng 1.2: Phân loại sợi quang

Sợi quang thạch anh Sợi quang thuỷ 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 xạ

Sợi quang chiết suất biến đổi đều

Trong các hình thức phân loại sợi quang, kiểu phân loại theo mode truyền lan thường được đề cập đến

™ Sợi đa mode

Sợi đa mode là sợi truyền được nhiều hơn một mode ánh sáng Số tối đa các mode ánh sáng (các đường đi của ánh sáng) có thể có trong một sợi quang được xác định như sau:

λ: bước sóng ánh sáng

Sợi đa mode thường được sử dụng cho những ứng dụng truyền thông khoảng cách ngắn (thường nhỏ hơn vài km) Các thiết bị đầu cuối không đắt và thường có thiết kế đơn giản Đèn LED (Light Emitting Diode: Diode phát quang) thường được sử dụng làm nguồn sáng Do lõi của các sợi đa mode có kích thước lớn nên việc nối dễ dàng hơn và cần những linh kiện có độ chính xác thấp hơn

Có 2 loại sợi đa mode: sợi chiết suất phân bậc và sợi chiết suất biến đổi đều Chúng khác nhau về tương quan chiết suất giữa lõi và lớp vỏ

ƒ Sợi chiết suất phân bậc

Sợi chiết suất phân bậc là sợi quang mà lõi và lớp vỏ có chiết suất khác nhau nhưng đồng nhất Tại mặt phân cách lõi – vỏ có sự thay đổi đột ngột về chiết suất Việc giữ ánh sáng trong bất kì sợi chiết suất bậc nào là do tính chất phản xạ tại mặt phân cách lõi – vỏ Đó là do sự khác biệt về chiết suất của hai vật liệu (môi trường) Các tia sáng bị phản xạ tại mặt phân cách và truyền lan dọc theo sợi quang

Các tia sáng truyền theo nhiều đường khác nhau trong lõi sợi quang Do khoảng cách mỗi tia phải đi qua là khác nhau, nên chúng đến đích vào các thời điểm khác nhau Điều này dẫn đến sự dãn xung truyền dẫn theo thời gian Sự méo tín hiệu do dãn xung được gọi là sự tán xạ đa mode hay tán xạ mode Sự dãn xung hạn chế tốc độ truyền dẫn số liệu vì tốc độ dữ liệu tỉ lệ nghịch với độ rộng xung

ƒ Sợi chiết suất biến đổi đều

Chiết suất của lõi sợi quang biến đổi đều giảm dần từ tâm ra Chiết suất của vỏ là đồng nhất Sợi chiết suất biến đổi đều uốn cong các tia sáng thành những đường dạng sóng do chiết suất không đồng nhất của lõi Vùng ngoài của lõi có chiết suất nhỏ hơn chiết suất tại tâm Aùnh sáng truyền nhanh hơn trong môi trường có chiết suất thấp hơn Các tia sáng đi qua khoảng cách dài hơn ở vùng ngoài lõi, cần nhiều thời gian hơn để đi đến đầu kia của sợi quang Tuy nhiên do ánh sáng truyền ở vùng ngoài của lõi nhanh hơn tại tâm lõi, tức là tốc độ truyền cao hơn nên bù được phần nào cho thời gian lâu hơn để vượt qua khoảng cách dài hơn Điều này làm giảm lượng dãn xung giữa các tia ở tâm và ở vùng phía ngoài của lõi, do đó làm giảm sự tán xạ mode Sợi chiết suất biến đổi đều có băng thông truyền dẫn số cao hơn sợi chiết suất phân bậc

™ Sợi đơn mode

Sợi đơn mode là sợi quang chỉ truyền lan một mode ánh sáng (một đường đi của tia sáng ở tâm sợi quang) Loại sợi này có được là nhờ giảm đường kính lõi đến một kích thước mà nó sẽ chỉ cho phép một mode ánh sáng truyền lan Lõi của sợi đơn mode có đường kính từ 8 – 10 μm

Do lõi có kích thước rất bé nên khó đưa ánh sáng vào sợi quang Một laser bán dẫn thường được sử dụng để đưa ánh sáng vào sợi Phải sử dụng những linh kiện chính xác hơn cho truyền dẫn

Do chỉ có một mode được truyền lan trong sợi quang nên sự dãn xung do tán xạ mode bị loại trừ Điều này cho phép truyền dẫn số liệu với tốc độ cao hơn nhiều qua những khoảng cách lớn Các sợi đơn mode ngày nay thường truyền số liệu có tốc độ trên 2 Gbit/s Các công ty điện thoại sử dụng công nghệ này để truyền tín hiệu qua những khoảng cách lớn

1.2.3 Suy hao sợi quang

Aùnh sáng truyền trong sợi quang bị suy hao công suất theo độ dài đường truyền, phụ thuộc độ dài bước sóng và môi trường lan truyền Aùnh sáng được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang hiện nay nằm trong vùng hồng ngoại, có bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm Đặc tuyến suy hao ánh sáng trong sợi thủy tinh Silic như hình 1.4

Các cửa sổ hoạt động

Trên đặc tuyến có ba vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao là thấp nhất, nên ánh sáng có bước sóng nằm trong ba vùng này thường được chọn để truyền tín

hiệu Ba vùng này gọi là ba cửa sổ quang Bước sóng trung tâm của ba cửa sổ này lần lượt là 850 nm, 1300 nm và 1550 nm, trong đó ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng cửa sổ thứ 3 (bước sóng trung tâm 1550 nm) có mức suy hao thấp nhất, thường được dùng cho những truyền dẫn khoảng cách dài

Suy hao quang có thể chia thành hai loại: suy hao thuần túy sợi quang và suy hao khi lắp đặt và vận hành hệ thống Suy hao thuần túy sợi quang bao gồm suy hao hấp thụ, suy hao tán xạ Rayleigh và suy hao tán sắc do cấu trúc không đồng nhất Suy hao trong quá trình vận hành mạng gồm có suy hao do uốn cong, suy hao vi cong, suy hao hàn nối và suy hao ghép nối của cáp sợi quang vào các linh kiện thu và phát quang

™ Suy hao hấp thụ

Suy hao hấp thụ là suy hao mà ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệu sợi và được biến đổi thành nhiệt mà không lọt ánh sáng ra ngoài Suy hao hấp thụ được chia thành hai loại, một do bản thân sợi quang, hai là do có tạp chất trong thủy tinh làm sợi quang

™ Suy hao tán xạ Rayleigh

Tán xạ Rayleigh là hiện tượng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi gặp phải một vật nhỏ có kích thước không quá lớn so với bước sóng của ánh sáng Sự không đồng đều của chiết suất khúc xạ là nguyên nhân gây nên tán xạ Rayleigh trong sợi quang, là một trong những nguyên nhân suy hao riêng của sợi quang và là một quá trình không thể tránh được Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với bước sóng, vì vậy khi ánh sáng lan truyền có bước sóng dài hơn thì suy hao nhỏ đi

™ Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây ra

Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tưởng và cấu trúc hình trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ sợi có sự

gồ ghề và không nhẵn, gây nên ánh sáng tán xạ và phát xạ ánh sáng ra bên ngoài Những chỗ không phẳng này gây nên suy hao quang, làm tăng suy hao do có các phản xạ bất bình thường đối với ánh sáng lan truyền

™ Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong

Các suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong là các suy hao sinh ra khi sợi quang

bị uốn cong Với một sợi quang bị uốn cong, các tia sáng có các góc tới vượt quá góc giới hạn, bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao Vì vậy phải chú ý đến việc giữ bán kính cong sao cho lớn hơn một giới hạn cho phép xác định

™ Suy hao vi cong

Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (khoảng vài μm) làm tăng suy hao sợi quang Khi sản xuất cần chú ý đến cấu trúc của sợi để bảo vệ sợi chống lại các áp lực bên ngoài

™ Suy hao hàn nối

Việc hàn nối sợi quang nhằm gắn kết các sợi quang với nhau Khi hàn nối sợi quang, chúng phải được nối các đầu sợi với nhau chuẩn trực Nếu lõi của hai sợi không được gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất thì một phần của ánh sáng đi

ra khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn và bị phát xạ ra ngoài gây nên suy hao

™ Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu, phát quang

Khi ghép nối sợi quang với các thiết bị quang, có một lượng công suất của ánh sáng bị mất đi trong quá trình này Tùy theo loại sợi quang và kiểu thiết bị quang được ghép nối mà sự suy hao này là không đồng nhất

1.2.4 Tán sắc ánh sáng và băng thông sợi quang

™ Tán sắc mode

Trong sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode là khác nhau Khi một xung ánh sáng được đưa vào sợi quang đa mode thì xung tại đầu ra có

độ rộng lớn hơn độ rộng xung lối vào Hiện tượng này gọi là tán sắc mode, nó làm cho khoảng trống thời gian giữa các xung cạnh nhau trở nên ngắn hơn so với nguyên bản Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do các xung ánh sáng vào mặc dù chỉ có một bước sóng đơn nhưng lan truyền với một vài mode khác nhau với các tốc độ lan truyền khác nhau Tán sắc mode làm cho độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang đa mode bị giới hạn Do vậy nếu muốn có hệ truyền dẫn dung lượng lớn thì cần sử dụng sợi đơn mode có đặc tính băng truyền dẫn rộng Việc sử dụng sợi đơn mode cho truyền dẫn loại bỏ được tán sắc mode do hạn chế số lượng mode truyền xuống chỉ còn một mode

™ Tán sắc bước sóng

Trong một môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ biến đổi theo bước sóng Kết quả là tốc độ truyền dẫn cũng biến đổi cùng với bước sóng Do ánh sáng sử dụng trong thông tin quang sợi không phải là ánh sáng hoàn toàn đơn sắc duy nhất một bước sóng, nên ánh sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác nhau trong sợi quang (bước sóng dài hơn thì chiết suất khúc xạ đối với nó sẽ nhỏ đi, tốc độ lan truyền lớn hơn) Đây là một yếu tố giới hạn độ rộng băng truyền dẫn, được gọi là tán sắc vật liệu

Khi chiết suất khúc xạ giữa lớp lõi và vỏ của sợi quang khác nhau chút ít thì hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn toàn giống như trên bề mặt của gương, mà còn có thêm những phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ Thêm vào đó, mức độ của sự thẩm thấu này biến đổi theo bước sóng, kết quả là độ dài của đường lan truyền thay đổi theo bước sóng Tán sắc gây nên do hiện tượng này được gọi là tán sắc cấu trúc

Độ lớn của tán sắc theo mối tương quan sau:

Tán sắc mode >> Tán sắc vật liệu > Tán sắc cấu trúc

Vì vậy trong sợi quang đa mode, độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn hầu như chỉ do tán sắc mode, tán sắc bước sóng chỉ có giá trị rất nhỏ Độ rộng băng truyền dẫn của sợi đa mode bị giới hạn chủ yếu do tán sắc mode gây ra Đối với sợi quang đơn mode, không chịu ảnh hưởng bởi tán sắc mode thì tán sắc bước sóng lại là nguyên nhân gây nên hạn chế độ rộng băng Do vậy với sợi đơn mode thì bước sóng sử dụng để hoạt động được chọn sao cho ảnh hưởng của tán sắc vật liệu có thể bỏ qua, cũng như có thể bỏ qua tán sắc cấu trúc bằng cách tạo nên các cấu trúc khác nhau của sợi quang

™ Băng thông sợi quang

Băng thông sợi quang là một đại lượng dùng để đánh giá khả năng truyền tải thông tin của một sợi quang Băng thông sợi quang bị hạn chế bởi sự tán sắc (dãn xung) của sợi quang Sự tán sắc làm giới hạn khả năng truyền tải thông tin

do các xung bị méo và bị dãn, chồng lấn nhau và trở nên không thể phân biệt được đối với thiết bị thu Để tránh không xảy ra hiện tượng này, các xung phải được truyền ít đi, do đó làm giảm tốc độ dữ liệu

Tán sắc làm các xung bị méo và dãn rộng ra, chồng lấn lên nhau làm cho thiết bị thu không thể khôi phục lại dạng sóng ban đầu Đồng thời khi tán sắc tăng lên, công suất đỉnh của tín hiệu quang bị giảm xuống, tác động đến quỹ công suất quang của máy thu Tán sắc là một hàm của chiều dài sợi quang, sợi quang càng dài ảnh hưởng càng rõ rệt

Băng thông của sợi quang đa mode do nhà sản xuất qui định ở dạng tích của khoảng cách và băng thông mode qui ước (MHz x km) Tích băng thông này chỉ giải thích cho sự dãn xung do hiện tượng tán sắc mode gây ra Băng thông của sợi đơn mode chỉ bị hạn chế bởi sự tán sắc bước sóng của sợi quang Để hoạt động ở tốc độ truyền cao nhất, sợi đơn mode nên có sự tán sắc bước sóng bằng

không tại bước sóng hoạt động của thiết bị

CHƯƠNG 2:

TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG

2.1 Các đặc điểm của ánh sáng

Aùnh sáng biểu hiện như một sóng điện từ và thuộc về phổ điện từ Số dao động trong một giây do một sóng điện từ thực hiện được gọi là tần số, đơn vị là Hezt (Hz) Aùnh sáng nhìn thấy có tần số khoảng 2,3 x 1014 chu kỳ/giây Các tần số ánh sáng cao hơn nhiều các tần số sóng điện từ khác như các sóng vô tuyến và sóng truyền hình Bước sóng điện từ là độ dài của một chu kỳ sóng, tính theo mét (m) Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng 770 nm đến 330

nm Aùnh sáng dùng cho truyền thông sợi quang nằm ở vùng hồng ngoại, từ 800

Ta có: θ1r = θ1

Theo định luật Snell:

2 2 1

1sinθ n sinθ

Khi góc tới θ1 tăng lên thì góc khúc xạ cũng tăng Nếu 0 thì

Hình 2.1: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng tại mặt phân cách

Với những giá trị θ1 >θc sẽ không có tia khúc xạ, tất cả những năng lượng từ tia tới được phản xạ hết Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần:

• Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn

• Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

™ Sự giao thoa của ánh sáng

Sự giao thoa của ánh sáng là hiện tượng chồng lên nhau của các sóng ánh sáng Aùnh sáng là sóng ngang dao động vuông góc với phương truyền sóng Aùnh sáng lan truyền trong môi trường đồng nhất là sóng điện từ có cường độ điện trường và từ trường thay đổi theo phương vuông góc với phương sóng lan truyền

™ Sự kết hợp của ánh sáng

Sự kết hợp của ánh sáng là sự giao thoa của các sóng ánh sáng và mức độ giao thoa Trong thông tin sợi quang, ánh sáng của laser là ánh sáng kết hợp không gian đóng vai trò là nguồn sáng rất quan trọng bởi vì sợi quang truyền tải tín

hiệu trên một mode truyền dẫn trong lõi chịu ảnh hưởng của giao thoa (ánh sáng kết hợp không gian: là ánh sáng mà có sóng cùng pha với một sóng khác theo mặt phẳng thẳng đứng với phương truyền sóng của chúng) Aùnh sáng đưa vào sợi quang từ linh kiện phát quang có xu hướng tỏa ra xung quanh làm giảm hiệu suất đưa vào sợi Aùnh sáng không gian kết hợp của laser có thể được tập trung dễ dàng hơn chỉ bằng cách dùng một thấu kính, rất phù hợp với việc đưa ánh sáng vào sợi quang có đường kính lõi rất nhỏ Ngoài ra ánh sáng của laser còn có tính kết hợp thời gian, đó là tính đơn nhất của bước sóng

2.2 Khẩu độ số

Hình 2.2 mô tả hai tia sáng đi vào ống dẫn sóng phẳng Tại lối vào xuất hiện sự phản xạ của hai tia Tuy nhiên tia 1 sẽ không tiếp tục truyền đi vì tới đường biên với góc nhỏ hơn Tia 2 đi vào ống dẫn sóng với góc θc θi và sau đó tới đường biên với góc và tiếp tục lan truyền Nếu θc θi là góc tới cực đại thì độ mở số NA (Numerical Aperture: độ mở số) của ống dẫn sóng bằng sin của θi

Hình 2.2: Cấu hình xác định khẩu độ số

Ta có thể xác định NA bằng cách áp dụng định luật Snell đối với tia 2 Bởi vậy:

1

2 2 1 1

0 1

n

Do đó:

2

2 1 0

(2.4)

2

2 1

Hiệu suất ghép ánh sáng vào ống dẫn sóng cao nếu NA lớn Tuy nhiên NA cao có nghĩa n1 >n2 dẫn đến tán sắc mode lớn, giới hạn băng thông khả dụng

2.3 Biến đổi điện – quang

2.3.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng

Giả thiết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp E1 và không có điện tử nào ở mức năng lượng cao E2 như trên hình 2.3(a)

(a) Cân bằng nhiệt

(b) Kích thích (hấp thụ)

ánh sáng ánh sáng

(d) Phát xạ cưỡng bức (c) Phát xạ tự nhiên

Năng lượng (ánh sáng)

Hình 2.3: Mức năng lượng và quá trình dịch chuyển

Ơû điều kiện này, nếu có một mức năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch giữa các mức ( tương ứng với hai mức chênh lệch) cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên mức năng lượng E

Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao E2 sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút và quay trở lại trạng thái ổn định Khi quay trở về trạng thái ổn định E1, một năng lượng

đúng bằng E2 −E1 được giải phóng như trên hình 2.3(c) Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ tự nhiên Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tính theo công thức:

λ là bước sóng của ánh sáng (m)

h là hằng số Plank (J.s)

c là vận tốc của ánh sáng (m/s)

là mức chênh lệch năng lượng (J)

2.3.2 Phát xạ ánh sáng của chất bán dẫn

Thông thường các điện tử tập trung phần lớn ở vùng hóa trị có mức năng lượng thấp và một số rất ít ở vùng dẫn có mức năng lượng cao hơn Giả sử trong chất bán dẫn có N điện tử, trong đó N1 điện tử ở vùng hóa trị và N2 điện tử trong vùng dẫn Thông thường thì N1 > N2

Khi ánh sáng chiếu từ bên ngoài vào bán dẫn ở trạng thái này, tỉ lệ giữa phát xạ cưỡng bức với hấp thụ ánh sáng tỉ lệ thuận với tỉ số N2 và N1 Trong điều kiện thường việc hấp thụ chiếm đa số và cường độ ánh sáng phát ra bị giảm đi Tuy

nhiên nếu thỏa mãn điều kiện N2 > N1 (gọi là đảo lộn mật độ) thì sự phát xạ cưỡng bức sẽ lớn hơn hấp thụ và cường độ ánh sáng sẽ tăng lên, nói cách khác đã thực hiện được việc khuếch đại ánh sáng

Trạng thái đảo lộn mật độ có thể thực hiện được bằng cách cấp năng lượng từ bên ngoài Đối với chất bán dẫn, phương pháp tiêm điện tử bằng dòng điện phổ biến nhất Aùnh sáng phát xạ tự nhiên được tạo nên do việc bơm điện tử đóng vai trò ánh sáng kích thích từ bên ngoài, góp phần làm tiền đề cho phát xạ cưỡng bức

Khi việc khuếch đại thực hiện được, dao động ánh sáng có thể xảy ra giống như đối với mạch điện tử bằng việc lặp lại khuếch đại Khuếch đại lặp lại có thể thực hiện được với hai gương phản xạ đặt đối diện nhau, lợi dụng các đặc tính của ánh sáng Aùnh sáng phát xạ cưỡng bức lan truyền sẽ đập vào một mặt gương phản xạ, một phần thoát ra ngoài, phần còn lại sẽ bị phản xạ và chuyển động về hướng đối diện Aùnh sáng phản xạ sẽ trải qua quá trình tương tự tại bề mặt gương đối diện một lần nữa và nó sẽ lại bị phản xạ để lan truyền theo hướng ban đầu Trong khi lặp lại quá trình phản hồi, năng lượng được khuếch đại bằng phát xạ cưỡng bức trở nên lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ ở vùng hóa trị và truyền qua bề mặt phản xạ Tại thời điểm đó bắt đầu dao động và tạo ra ánh sáng laser

2.4 Cơ chế thu quang

Thu quang là biến đổi ánh sáng thành điện Có hai cách để thực hiện:

• Cách thứ nhất là biến đổi trực tiếp tín hiệu quang ra tín hiệu điện, gọi là hiệu ứng quang – điện

• Cách thứ hai là biến đổi năng lượng quang thành năng lượng nhiệt và sau đó biến đổi năng lượng nhiệt này thành năng lượng điện, phương thức này gọi là hiệu ứng cảm nhiệt

Tách ánh sáng sử dụng hiệu ứng cảm nhiệt không được sử dụng trong thông tin quang bởi nó có tính đáp ứng rất chậm và độ nhạy không cao Trong lĩnh vực thông tin quang sợi, hiệu ứng quang – điện được sử dụng trong thu quang

Cơ sở của hiệu ứng quang – điện là quá trình hấp thụ ánh sáng trong chất bán dẫn Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng hóa trị được chuyển dời tới vùng dẫn Tuy nhiên nếu không có một sự tác động nào xảy

ra thì sẽ không thu được kết quả mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh và tái hợp trở lại với các lỗ trống trong vùng hóa trị Do vậy để biến đổi năng lượng quang thành điện, phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử vẫn còn riêng rẽ chưa kịp tái hợp lại

Vùng nghèo Miền n Miền p

++++++++

_ _ _ _ _ _ _ _ _

+++

Hình 2.4: Vùng nghèoTrong linh kiện thu quang, lớp p-n được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống, tạo nên sự chuyển động của điện tử trong vùng n và lỗ trống ở vùng p về phía điện tích (+) và (-) tương ứng như trên hình 2.4 Nhờ đó xung quanh lớp chuyển tiếp hình thành một vùng thiếu các phần tử điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo Khi ánh sáng chiếu đến đập vào vùng p ở trạng thái này thì sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng n Trong quá trình đó các điện tử và lỗ trống đã được tạo ra tại vùng nghèo do hấp thụ sẽ được chuyển động về hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường và bị tách rời nhau

Vì không có điện trường ở các miền ngoài vùng nghèo nên các điện tử và lỗ trống được tạo ra do hiệu ứng quang điện sẽ bị tái hợp trong quá trình chuyển động của chúng Tuy nhiên một vài điện tử và lỗ trống may mắn chuyển động vào điện trường trong quá trình chuyển động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng

Do vậy có một hiệu điện thế sẽ được tạo ra có thế tỉ lệ thuận với tổng số các điện tử và lỗ trống được tách ra giữa các miền n và p Nếu hai đầu của miền đó được nối với một mạch điện bên ngoài thì các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp tại mạch này, hình thành dòng điện chạy qua mạch Đây chính là nguyên tắc biến đổi quang – điện

2.5 Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Hai vấn đề chính làm suy giảm tín hiệu trong sợi quang là suy hao và méo dạng tín hiệu khi lan truyền trong sợi quang

Suy hao tín hiệu là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợi quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu Vì khó chế tạo, lắp đặt và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang có ảnh hưởng rất lớn tới giá thành hệ thống

Một yếu tố cũng không kém phần quan trọng là méo tín hiệu Méo tín hiệu trong sợi làm dãn xung ánh sáng khi được truyền qua sợi Nếu khoảng cách truyền đủ

xa sẽ làm cho xung chồng lấn lên xung lân cận gây ra lỗi tại máy thu Bởi vậy, các cơ cấu gây méo tín hiệu giới hạn dung lượng truyền tải thông tin của sợi quang

2.5.1 Suy hao tín hiệu

Suy hao tín hiệu ánh sáng khi lan truyền trong sợi quang là một yếu tố quan trọng cần phải xét đến trong một hệ thống thông tin quang sợi vì nó quyết định chủ yếu khoảng cách truyền dẫn cực đại giữa máy phát và máy thu Các cơ cấu

suy hao chính trong sợi quang là quá trình hấp thụ, tán xạ và suy hao bức xạ năng lượng ánh sáng Hấp thụ liên quan đến vật liệu chế tạo sợi, trong khi đó quá trình tán xạ liên quan đến cả vật liệu chế tạo và các khuyết tật trong cấu trúc ống dẫn sóng quang Các hiệu ứng bức xạ do những biến đổi về dạng hình học (vi mô và vĩ mô) của sợi cũng gây ra suy hao

Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỉ số công suất quang lối vào Pin của sợi có độ dài L và công suất quang đầu ra Pout Tỉ số công suất này là một hàm của bước sóng Người ta thường sử dụng α để biểu thị suy hao tính theo dB/km

vì có thể cộng suy hao theo dB

™ Suy hao hấp thụ

Ba cơ cấu gây ra quá trình hấp thụ là:

• Hấp thụ do các thiếu hụt nguyên tử trong thành phần thủy tinh

• Hấp thụ do các nguyên tử không thuần nhất trong chất liệu thủy tinh

• Hấp thụ vật liệu do các nguyên tử cấu tạo cơ bản trong chất liệu thủy tinh Các thiếu hụt nguyên tử là những khuyết tật của cấu trúc nguyên tử chất liệu chế tạo sợi quang, như là thiếu hụt các phân tử, tập trung mật độ cao các nhóm nguyên tử hay thiếu hụt các nguyên tử oxy trong cấu trúc thủy tinh Thông thường, các suy hao hấp thụ do thiếu hụt nguyên tử không đáng kể so với các hiệu ứng hấp thụ do bản thân và độ không tinh khiết của chất liệu làm sợi Tuy nhiên, các suy hao này trở nên đáng kể khi sợi chịu các bức xạ nguyên tử mạnh

Trong các sợi chế tạo bằng phương pháp nung chảy trực tiếp thì yếu tố gây ra hấp thụ chủ yếu là độ không tinh khiết của vật liệu chế tạo Hấp thụ do độ không tinh khiết chủ yếu do sự chuyển hóa các ion kim loại như crôm, côban, đồng và các ion OH Độ không tinh khiết trong các vật liệu ban đầu sử dụng cho các sợi chế tạo bằng phương pháp nung chảy trực tiếp cỡ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) gây ra sự suy hao từ 1 đến 10 dB/km Các suy hao hấp thụ do không tinh khiết xuất hiện do chuyển tiếp các điện tử giữa các mức năng lượng lớp bên trong không được làm đầy của các ion này hoặc do các chuyển tiếp từ ion này tới ion khác Các đỉnh hấp thụ do có nhiều kim loại chuyển tiếp có chiều hướng rộng ra và trùm lên nhau tạo thành vùng hấp thụ

Hấp thụ của bản thân chất liệu chính chế tạo sợi là yếu tố vật lý cơ bản xác định giới hạn hấp thụ thấp cơ bản của vật liệu bất kỳ

Hấp thụ vật liệu do các dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím và các dải dao động nguyên tử trong vùng gần hồng ngoại Các dải hấp thụ điện tử kết hợp với các dải trống của các chất liệu thủy tinh vô định hình Quá trình hấp thụ xuất hiện khi một photon tương tác với một điện tử trong vùng hóa trị và kích thích điện tử lên mức năng lượng cao hơn Bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai loại vật liệu kết tinh và vô định hình tuân theo luật Urbach:

C và E0 là các hằng số xác định theo thực nghiệm

E là năng lượng photon

Trong thực tế, có thể biểu thị suy hao hấp thụ cực tím tại các bước sóng bất kì bằng hàm xác định theo thực nghiệm như sau:

λλ

λ

60 6 , 46

2 ,

trong đó:

λ là bước sóng của ánh sáng

Đối với thủy tinh GeO2SiO2, hấp thụ hồng ngoại được tính theo biểu thức thực nghiệm sau:

™ Suy hao tán xạ

Suy hao tán xạ trong thủy tinh phát sinh từ những biến đổi vi mô về mật độ chất liệu, những thay đổi trong thành phần chất cấu tạo và không đồng nhất cấu trúc hoặc các khuyết tật trong quá trình chế tạo Thủy tinh cấu tạo từ mạng các phân tử kết nối với nhau một cách ngẫu nhiên Cấu trúc như vậy sẽ chứa các vùng, trong đó mật độ phân tử cao hoặc thấp hơn mật độ trung bình Hơn nữa, thủy tinh cấu tạo từ nhiều loại oxit như SiO2, GeO2 và P2O5, những thay đổi trong thành phần cấu tạo có thể xuất hiện Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chỉ số khúc xạ xuất hiện trên các khoảng cách nhỏ so với bước sóng ánh sáng và gây ra tán xạ Rayleigh

Suy hao do tán xạ khá phức tạp vì bản chất ngẫu nhiên của các phân tử và sự đa dạng các thành phần oxit cấu tạo nên thủy tinh Đối với thủy tinh cấu tạo từ một loại oxit, suy hao tán xạ tại bước sóng λ do thăng giáng mật độ có thể tính gần đúng theo biểu thức:

8

−

trong đó:

n là chỉ số khúc xạ

k là hằng số Boltzmann B