Tìm hiểu hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng

LỜI CẢM ƠNTrong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng” em đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Tìm hiểu về hệ

thống thông tin quang và một số ứng dụng” em đã nhận được sự hướng dẫn và

giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đạihọc Vinh Vậy cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đở đó

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Lưu Tiến Hưng,Người đã trực tiếp hướng dẫn em rất tận tình ,chỉ bảo ,cung cấp tài liệu ,thiết bịvật chất liên quan và đưa ra những lời khuyên hữu ích để em nhanh chóng hoànthành đồ án tốt nghiệp này

Trong quá trình hoàn thành đồ án mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng dotầm hiểu biết có hạn và điều kiện thực hiện đề tài có hạn do đó không tránh khỏinhững thiếu sót rất mong được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài này được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

VINH, ngày tháng năm 2012 Sinh viên:

Nguyễn Hữu Phước

1

Mục Lục

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

LỜI NÓI ĐẦU……… ……… ……… 9

CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 10

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 10

1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 11

1.3 Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang 13

1.4 Lý thuyết chung về quang dẫn 14

1.4.1 Cơ sở quang học 14

1.4.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 15

1.4.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang 17

1.4.4 Sợi đa mode và đơn mode 20

1.5 Các thông số của sợi quang 22

1.5.1 Suy hao trong sợi quang 22

1.5.2 Các nguyên nhân gây suy hao 23

a Suy hao do hấp thụ 24

b Suy hao do tán sắc 25

c Suy hao do uốn cong 25

1.5.3 Tán sắc 26

a Định nghĩa 26

b Các nguyên nhân gây tán sắc 27

1.6 Câú trúc sợi quang 29

1.6.1 Lớp phủ 30

1.6.2 Lớp võ 30

1.7 Các linh kiện biến đổi quang 32

2

1.7.1 Khái niệm chung về biến đổi quang 32

1.7.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang 33

1.7.3 Nguồn quang 35

1.8 Tách sóng quang 40

1.8.1 Nguyên lý chung 40

1.8.2 Những thông số cơ bản 41

1.8.3 Điốt thu PIN 43

1.8.4 Điốt thu APD 45

1.8.5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 46

1.9 Hàn nối sợi quang 47

1.9.1 Các yêu cầu mối nối 47

1.9.2 Hệ thống thông tin quang 49

1 Khái niệm 49

2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 50

3 Mã hóa hệ thống thông tin quang 53

CHƯƠNG II: MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN THÔNG TIN QUANG 57

2.1 Mã hóa và truyền dữ liệu 57

2.1.1 Bộ mã hóa Manchester/ Bi - Phanse 57

a Dữ liệu NRZ 57

b Mã Manchester 58

c Mã Bi - Phase Mark/ space 58

2.1.2 Bộ giải mã Manchester/ Bi - Phase 59

2.2 Ghép kênh tín hiệu số 61

2.2.1 Lý thuyết 61

2.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống ghép/ tách kênh 8 kênh áp dụng mã Manchester hoặc Bi - Phase cho việc truyền 61

2.2.3 Bộ ghép kênh 63

CHƯƠNG III: TÌM HIỂU VIỆC KHẢO SÁT, ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CÁP QUANG 68

3

3.1 Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam 68

3.1.1 Khảo sát cấu hình hiện tại 68

3.1.2 Dự kiến nhu cầu thực tiễn 68

a Khái quát chung 68

b Kết quả dự báo nhu cầu thoại giai đoạn 2006-1010 69

c Kết quả dự báo nhu cầu phi thoại giai đoạn 2006-2010 69

3.1.3 Kế hoạch thực hiện 71

3.2 Đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao dung lượng hệ thống 2,5Gb/s lên 20Gb/s 73

3.2.1 Đề xuất các phương án 73

3.2.2 Phân tích 74

a Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM 74

b TDM kết hợp ghép 2 bước sóng WDM 75

c Tăng dung lượng bằng ghép kênh 8 bước sóng STM - 16 76

3.2.3 Lựa chọn phương án 77

3.3 Kết quả thực hiện 78

3.3.1 Xây dựng tuyến cáp quang 20 Gb/s 78

3.3.2 Quản lý đường trục 79

3.3.3 Kết nối giữa các Ring 79

3.4 Hướng nghiên cứu tiếp theo 81

KẾT LUẬN: 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ truyền quang dẫn 11

Hình 1.2 Sơ đồ khối trạm lặp 13

Hình 1.3 Sự phản xạ ,khúc xạ 15

Hình 1.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 16

Hình 1.5 Các dạng phân bố triết suất 18

Hình 1.6 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có triết suất 18

Hình 1.7 Sự truyền ánh sáng 19

Hình 1.8 Công suất truyền sợi 22

Hình 1.9 Suy hao do tán sắc 26

Hình 1.10 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R 26

Hình 1.11 Tán sắc của các loại sợi 29

Hình 1.12 Cấu trúc sợi quang 30

Hình 1.13 Cấu trúc ống đệm 31

Hình 1.14 Cấu trúc sợi quang có võ đệm tổng hợp 32

Hình 1.15 Cấu trúc băng dẹt 32

Hình 1.16 Các vùng năng lượng của chất bán dân………… ……… 34

Hình 1.17 Cấu trúc LED tiếp xúc bề mặt 37

Hình 1.18 Cấu trúc LED Burus 37

Hình 1.19 Cấu trúc LED phát bước dài 38

Hình 1.20 LCD phát xạ rìa 39

Hình 1.21 Ánh sáng cấu tạo Diot laser 39

Hình 1.22 Cấu tạo mode thu quang PIN 44

Hình 1.23 Cấu tạo APD nhóm III - V 46

Hình 1.24 Quá trình hàn nối sợi 48

Hình 1.25 Phân bố suy hao của mối hàn 49

Hình 2.1 Nhận và gửi dữ liệu NRZ và mã hóa dữ liệu 57

Hình 2.2 Mạch điện của mạch mã hóa Bi - Phanse Mark 59

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch điện của bộ giải mã Manchester 60

5

Hình 2.4 Sơ đồ bộ giải mã Bi - Phanse M/S 61

Hình 2.5 Sơ đồ tách ghép 8 kênh 63

Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện của bộ ghép kênh 65

Hình 2.7 Dạng sóng của bộ tạo ghép kênh 66

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện của mạch tách kênh 67

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu dự báo lưu lượng cáp quang (2006 - 2010) 70

Hình 3.2 Kết quả dự báo nhu cầu lưu lượng cho tuyến trục Bắc Nam 71

Hình 3.3 Mạng cáp quang đường trục Việt Nam 73

Hình 3.4 Phương án 2 ghép 2 bước sóng STM - 64 75

Hình 3.5 Phương án 3 ghép 8 bước sóng STM - 64 76

Hình 3.6 Vai trò DXC/OXC trong việc phối luồng - phân luồng lưu lượng 78

Hình 3.7 Mạng quản lý điều khiển DWDM 80

Hình 3.8 Kết nối giữa các Ring 81

Hình 3.9 Bảo vệ kết nối giữa 2 Ring theo kiểu Matched - Node 81

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

6

Bảng 1 Mã hóa 1 nhóm 5 bit thành 6 bit 49 Bảng 2 Các tiêu chuẩn PCM được dùng hiện nay 51 Bảng 3 Mã hóa hệ thống thông tin quang 52

7

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2 DFA Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang trộn

10 ODM Optical Demultiplexer Bộ tách bước sóng quang

11 OSA Optical Signal Amplifier Khuếch đại tín hiệu quang

12 OSC Optical Supervisor

Channel

Kênh giám sát quang

13 PCM Pulse Code Modulation Điều chế và giải điều chế

Ghép kênh theo thời gian

LỜI NÓI ĐẦUĐất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hoá, hiện đại hoá, với

xu thế hội nhập kinh tế quốc tế Sự phát triển của các doanh nghiệp, các ngành

8

nghề là hết sức quan trọng, đóng vai trò tiên quyết cho sự vững bước đi lên củađất nước.

Ngành Điện tử - Viễn Thông Việt Nam, một trong những ngành có vai tròquan trọng trong kết cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc dân cũng đang có sựđóng góp lớn lao cho sự lớn mạnh của nền kinh tế, ổn định chính trị và an ninhquốc phòng nước nhà Lượng thông tin muốn trao đổi ngày càng nhiều lên, cácphương pháp truyền dẫn cũ không thể đáp ứng được hết nhu cầu của ngườidùng Vì lẽ đó một phương pháp truyền dẫn mới ra đời khác biệt hoàn toàn sovới phương pháp cũ , đó là truyền dẫn thông tin dựa vào các đặc tính của ánhsáng mở ra một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên xã hội thông tin Với mong muốnđược tìm hiểu tiếp cận với loại hình truyền dẫn ưu việt này nên em đã chọn đề

tài về : “Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng ” để được

hiểu biết hơn về hệ thống thông tin quang Qua đó tim hiểu về một số mạch điện

về thông tin quang để nâng cao trình độ của bản thân

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về thông tin quang

- Tìm hiểu một số mạch điện về thông tin quang

- Đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao dung lượng cáp quang

Cấu trúc của đồ án, ngoài phần mở đầu, kết luận và các tài liệu tham khảo, nộidung được trình bày trong ba chương:

Chương I: Sơ lược về hệ thống thông tin quang

Trong chương này tôi giới thiệu về lịch sử phát triển của thông tin quang ,cấu trúc của hệ thống thông tin quang, đặc tính kỷ thuật trong thông tin quang

Chương II: Một số mạch điện trong thông tin quang

Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu về việc mã hóa và truyền dữ liệu, các

bộ mã hóa và giải mã ,các mạch điện tách, ghép kênh tín hiệu số

Chương III: Tìm hiểu việc khảo sát, đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao dung lượng cáp quang

9

Chương này chúng tôi khảo sát và đưa ra các phương án nâng cao dunglượng cáp quang.

10

CHƯƠNG I

SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Như chúng ta đã biết thông tin quang học đã có từ lâu đời Cho tới thế kỷ 18thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu, Lịch sửphát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau: [1]

Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điệnbáo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di độngtrên đó Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự

ly 200km

Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng cóthể truyền được theo ống nước uốn cong Việc truyền ánh sáng trong ống nướcuốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần

Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoạiquang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môitrường không khí Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễunên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng

Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làmmôi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang

Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công.Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện

Năm1966 Charles H KaoVà George A Hockhan người Anh dùng sợi thuỷtinh để truyền dẫn ánh sánh Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy haoquá lớn(   1000dB/km)

Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiếtsuất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km

Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ Ngày nay sợi quang đơnmốt được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng

11

0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.

1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang

Trặm lặp trên đường truyền

Tín hiệu ra

Biến đổi Biến đổi

Hình 1.1 Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn.

- Theo sơ đồ hệ thống ta có:

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

+ Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống

+ Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quangvới các mức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện

“0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”

Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như:LED, laserđioe

+ Trạm lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy để truyền được tín hiệu đi xa cần có trạm lặp Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có trặm lặp

Tín hiệu Tín hiệu

KĐ Cáp quang Cáp quang

Hình 1.2 Sơ đồ khối trặm lặp

1.3 Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

 Ứng dụng của sợi quang

- Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác

- Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay

+ Mạng đường trục xuyên quốc gia

+ Đường trung kế

+ Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia)

+ Đường số liệu

+ Mạng truyền hình

 Ưu điểm

- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm lặp giảm

- Sợi quang được chế tạo từ nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệ rất rồi dào và rẻ tiền dẫn đến giảm được giá thành

- Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ

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

- Tính cách điện cao, không gây chập cháy

- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong

- Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp

13

O

E

O E

kim loại có cùng dung lượng và cự ly.

 Nhược điểm

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

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

n là triết suất của môi trường

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

 Góc phản xạ bằng góc tới

=’

*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell

n1Sin =n2 Sin

Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1

n2 : chiết suất môi trường 2

Khi n1>n2 thì  >  nếu tăng  thì  cũng tăng theo và  luôn lớn hơn  khi  = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì  được gọi là góc tới hạn T Nếu tiếp tục tăng cao cho >T thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiệntượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

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

1.4.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn

Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang

15

Tia khúc xạ1’

Tia phản xạ1’

của sợi quang để làm truyền.

Hình 1.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn.

Tia sáng thâm nhập tao nên một góc  với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánh sáng Tia sáng phải đi qua môi trường không khí có nk = 1 rồi vào ruộtsợi có n1> nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ  Sự phản xã toànphần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới  < max

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

NA = Sinmax.

áp dụng công thức Snell để tính NA

Tại điểm A ta có:

nksinmax = n1sin90

Mà nk là chiết suất không khí(n1=1)

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

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

nk

n2

Tia phản xạ

n1

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

1-n2

2

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

1.4.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang

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

n2[1-(r/a)g ] với r  a (trong lõi)

g = 

g=1 g = 2

- Sợi quang có triết suất nhẩy bậc

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

Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc:

v = n V1

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

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

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

n2 n1

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

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

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiều tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch triết suất nhưng có triết suất lõi n1 không cao

b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b):

Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất như hình b

c/ Dạng san bằng tán sắc (Hình c):

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

19

Hình 1.7 Sự truyền ánh

sáng .trong sợi GIn(r)

1.4.4 Sợi đa mode và đơn mode

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

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

Mặt cắt triết

suất

d

a/ Sợi MMd

SI-1 2 1

n n

n 

 b/

SợiGI-MM

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

*Sợi đơn mode (SM: single Mode)

Các thốngố của sợi SM thông dụng là:

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

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

- Độ chênh lệch triết suất tương đối:

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bước sóng =1300nm

độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rấtrộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phảicó độ chính xác cao Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

n1

n2  = 0,3%

1.5 Các thông số của sợi quang

1.5.1 Suy hao trong sợi quang

- Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng trong sợi quang

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

P(L) = P(1).10 1.8)

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

P(1): công suất đầu sợi (L=0)

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

P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang

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

 = L A (dB/Km)

Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB]

L: Chiều dài sợi quang [Km]

1.5.2 Các nguyên nhân gây suy hao

a/ Suy hao do hấp thụ (Hình a,b,c)

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

- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Để có được sợi quang có độsuy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo

đã hấp thụ ánh sáng Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụthuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang

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

b/ Suy hao do tán sắc (Hình 1.9)

- Do tán xạ Rayleigh: Hiện tượng này xẩy ra do sợi quang sau khi chếtạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong

23

sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh Khi kích thước củavùng không đồng nhất bằng 1/10 thì chúng trở thành những nguồn,điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiềuhướng, chỉ còn một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theohướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác.

- Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 củabước sóng (-4) nên giảm rất nhanh về phia bước sóng dài nhưng nóảnh hưởng đáng kể ở bước sóng ngắn

- ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng

từ 1 đến 2 dB ở  = 1300nm suy hao là 0,3dB/km Còn ở  =1550nm suy hao nhỏ nhất Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được ápdụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang

- Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiệntượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo,làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phầnkhúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần

c/ Suy hao do uốn cong (Hình 1.10)

Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệchtrục, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏdẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang

10

2

D   (1.9)Trong đó: Ti là độ rộng xung vào

To là độ rộng xung ra

- Độ tán sắc do chất liệu người ta đánh giá trên mỗi km sợi ứng với mỗi

mm của bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị tính là PS/Km.Km

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

26

- -

-1010,1

b Các nguyên nhân gây tán sắc

- Tán sắc Mode: chỉ xuất hiện ở sợi damode Các thành phần ánh sáng lantruyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nên có sự chênh lệch thời gian,sinh ra méo xung Dạng xung đầu vào máy thu phụ thuộc 2 yếu tố chính:

+ Thành phần công suất từ nguồn từ nguồn phát quang ghép vào sợi

+ Sự phân bố các mạch mode truyền dẫn trên sợi quang với loại sợi SI - MM

+ Tia 1: Tia dài nhất d  1 cos2D1

+ Tia 2: tia ngắn nhất d2 = L

Thời gian truyền của tia 1:  1 = d1/V

(Với V là vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi V = C/n1)

/ C

L V

1

2 1 1 1

2

2 1 2

n n n C

L C

Ln Cn

Ln t

n

n

n 



 độ chênh lệch chiết suất

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

n L

t D

2 1 e

+ Tán sắc vật liệu: là hiện tượng do ánh sáng truyền trong sợi quang không phải là đơn sắc mà là đa sắc Mỗi bước sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác chonên vận tốc truyền khác

Tán sắc do vật liệu được xác định bởi:

2

2 mod

) (

)

(

n  : triết suất lõi sợi

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

Ở bước sóng 850mm độ tán sắc M = 90 120PS/nm Km

Ở bước sóng 1300mm tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng ngược dẫn nên

28

một tia sáng cho nên không có tán sắc mode xẩy ra.

1.6 Cấu trúc sợi quang

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

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

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Hình 1.11 Tán sắc của các loại sợi.

Hình 1.12 Cấu trúc sợi quang.

1.6.1 Lớp phủ

Có tác dụng bảo vệ sợi quang

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước

- Tránh xước gây nên vết nứt

- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi Lớp phủ này được

nhuộm màu và thêm các vòng đánh dấu

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

có tính chất sau:

30

Hình 1.14 Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp.

c Dạng băng dẹt

Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi

quang thay vì một sợi Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng

Nhược điểm: Có nhược điểm giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng

Hình 1.15 Cấu trúc băng dẹt.

1.7 Các linh kiện biến đổi quang

1.7.1 Khái niệm chung về biến đổi quang

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

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

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

1.7.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang

a Đối với nguồn quang

Nguồn quan là những thiết bị thực hiện việc biến đổi tín hệu điện quang rồiphát ra tín hệu vào đường truyền

* Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát:

- Bước bóng nguồn phát phù hợp với bước sóng thông dụng như: 850nm, 1300nm, 1550nm

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

- Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ

b Đối với linh kiện tách sóng quang

- Bước sóng: Đối với bước sóng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm 1550nm, phải nhạy

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

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

- Dòng tốt nhỏ: khi chưa có tách sóng chiều vào nhưng linh kiện tách sóng quag vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng

33

Hình 1.16 Các vùng năng lượng của chất bán dẫn.

Do đó năng lượng của điện tử chia làm 3 vùng

+ Ev: Mức năng lượng hóa trị

+ Eg: Khe năng lượng

Ev

biến mất điện từ sẽ để lại một cổ trống trong vùng hoá trị Như vậy một photon(có năng lượng thích hợp) chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một

cổ trống còn photon thì biến mất Đó là hiện tưởng hấp thụ, được ứng dụngtrong photon diode làm linh kiện thu quang

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

Trong khi dịch chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượngthấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ dưới dạng photon Như vậy khi mộtđiện tử kết hợp với một cổ trống có thể làm bức xạ ra một photon đó là hiệntượng phát xạ tự phát được ứng dụng trong diode phát quang (LED) dùng làmnguồn quang

+ Hiện tượng phát xạ kích thích Là hiện tượng đặc biệt do ánh sáng đượcphát ra trong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang

ở vùng dẫn có mức cao năng lượng xuống vùng hóa trị có mức năng lượng thấptại hợp với các lỗ trống phát ra lượng ánh sáng mới Quá trình tái hợp đủ lỗtrống xảy ra liên tục làm cho năng lượng ánh sáng phát ra rất lớn

1.7.3 Nguồn quang

a Nguyên lý chung

Có 2 loại được dùng làm nguồn quang

- Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode)

- Diode laser hay LD

Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N Các đặctnh kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêngbước sóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang.Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau Mà Eg quyết địnhtần số và do đó quyết định bước sóng của năng lượng ánh sáng phát ra theo côngthức

Eg =Hv =

 hc

(1.15)

Hay

) (

24 1

ev g

E Eg

c h

C: Tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108m/s

Eg: Bề rộng khe năng lượng (đơn vị ev)

V: Tần số ánh sáng phát ra (đơn vị Hz)

b Diot LD

Tiếp xúc bề mặt: Loại này dùng bán dẫn Ga As với nồng độ khác nhau đểlàm lớp nên N và lớp phát sáng loại P Với P có độ dày cỡ 250m Mặt ngoàilớp phủ chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang LED tiếp xúc mặt cóbước sóng công tác từ 880-950m

36

Lớp tiếp xỳc

Hỡnh 1.17 Cấu trỳc Led tiếp xỳc bề mặt.

- LED Burrus

Đợc chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bán

dẫn loại N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau Với cấu trúc nhiều lớp và

vạch tiếp xúc P có kích thớc nhỏ vùng phát sóng của diode này tơng đối hẹp

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

37

Lớp P-Ga As(khuếch tỏn)

Lớp tiếp xỳc P Lớp cỏch điện (Al2C3Ánh sỏng Lớp chống phản xạ

Lớp N - Al Ga As

Lớp P+ Al Ga As

Hình 1.18 Cấu trúc LED Burus.

Lớp tiếp xúc P (Đường kính nhỏ)

Bước sóng của LED Burrus được biết đến ALGAAS/GAAS khoảng

800-8500m Dùng In GAAS/InP thì bước sóng phát ra dài hơn

- LED phát bước dài

Một loại LED phát bước sóng dài (1300mm và 1550mm) dùng bán dẫn In

Ga ASP/InP Dùng lớp nền InP dạng thấu Kính để ghép vào sợi quang

Hình 1.19 Cấu trúc Led phát bước dài.

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

Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng khôngthể phát ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớptích cực rất mỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 lớp PN có triết suấtnhỏ hơn Cấu trúc như vậy giống như cấu trúc sợi quang Nên khi một trong 2đầu ống dẫn sóng được nối với sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sángnhỏ nên hiệu suất phép ánh sáng, vào sợi quang cao Tuy nhiên nó cũng có hạnchế là khi hoạt động nhiệt độ của ELED tăng khá cao nên đòi hỏi phải giảinhiệt

Lớp cách điện Al2O3Lớp P -- lgna AsP Lớp chống phản xạ

Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt

Hình 1.20 LCD phát xạ rìa.

c Diot LESER (LD)

+ Cấu tạo

Một LD thông thường được cấu tạo bằng 3 lớp hoạt động của lasser xảy ra

ở vùng được ghép bởi 2 lớp bán dẫn loại N và P được gọi là vùng hoạt chất Vùng này đóng vai trò như một chất cộng hưởng Khi đó dòng điện bơm từphía (+) đến (-) thì ánh sáng lesser được phát ra theo hướng mũi tên

Hình 1.21 Ánh sáng cấu tạo Diode laser.

+ Nguyên lý:

Trong hệ thống thông tin quang, các nguồn phát sáng laser là các laser bándẫn thường là laser Diode (LD) Các loại này có thể khác nhau những nguyên lý

cơ bản là như sau: Hấp thụ photon phát xạ tự phát, phát xạ kích thích

Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản

Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích

Quá trình dao động dựa trên đặc tính của hộp cộng hưởng cho ra phổ bước

39

Bán dẫn loại NLớp tích cực

Bán dẫn loại N

Lớp tiếp xúc PCách điện

sóng giới hạn hẹp đến mức tối đa.

Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơnhẳn LED nhưng do cấu tạo cũng như hoạt động phức tạp hơn Quá trình phát xạ

tự phát của LD giống LED Tuy nhiên mặt sau của LD được phủ một lớp phản

xạ rất cao 99% còn mặt trước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánhsáng phát ra lan truyền như đang được khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản

xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản xạ lại hướng đột diện, ánh sáng lại đượcphản xạ tương tự mặt gương đối diện Bằng cách này trong khi lặp lại quá trìnhphản hồi (1 phần ánh sáng được khuyếch đại sẽ được kết hợp với ánh sáng đầuvào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa) Khi dòng vào đủ lớn năng lượng đượckhuếch đại bằng phát xạ cương bước trở nên lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ

ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ Tại thời điểm đó bắt đầu dao động

và tạo ánh sáng laser Dòng tại đó gọi là dòng ngưỡng Dòng ngưỡng phải nhỏ

để tránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt động liên tục ở công suấtcao

Xét về hốc cộng hưởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gươngphẳng song song phản xạ ánh sáng Hốc cộng hưởng có nhiệm vụ tạo ra một daođộng có tần số nhất định Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên

độ phức, nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúngvới biên độ và pha sóng xuất phát nó

1.8 Tách sóng quang

1.8.1 Nguyên lý chung

Các linh kiện tách sóng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bán dẫn Cấutạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp PN Có 2 loại linh kiện tách sóngquang được sử dụng hiện nay:

- PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là

2 lớp bán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha vớinồng độ rất thấp

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

40