Hệ thống thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo thời gian luận văn tốt nghiệp đại học

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang.Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang: Bộ biến đổi điện – quang E/O: Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 9 1.1 Sự phát triển của thông tin quang 9

1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 9

1.3 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống thông tin quang 11

1.3.1 Ưu điểm 11

1.3.2 Nhược điểm 12

1.3.3 Ứng dụng 13

CHƯƠNG II: CÁP SỢI QUANG 14

2.1 Bản chất ánh sáng 14

2.1.1 Các định luật cơ bản của ánh sáng 14

2.1.2 Đặc tính phản xạ của sợi quang 15

2.2 Cáp sợi quang 16

2.2.1 lõi cáp sợi quang 17

2.2.2 Vỏ cáp quang 17

2.2.3 Phần tử gia cường 18

2.2.4 Các phần tử khác trong lõi cáp 19

2.3 Phân loại sợi quang 20

2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi 20

2.3.2 Phân loại theo mode lan truyền 21

2.3.3 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ 21

2.4 Các nguyên tắc lan truyền trong ánh sáng sợi quang 22

2.4.1 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang đa mode chiết suất bậc 22

2.4.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang đa mode chiết suất liên tục 23

2.4.3 Sợi quang đơn mode chiaats suất bậc 24

2.5 Đặc tính suy hao của sợi quang(AT) 24

2.5.1 Các yếu tố suy hao bên trong 24

2.5.2 Suy hao do công nghệ chế tạo sợi quang 25

2.5.3 Các nguyên nhân suy hao bên ngoài 26

2.5.4 Suy hao do hàn nối sợi 26

2.5.5 Méo mod 27

2.6 Các hình thức lắp đặt cáp 27

2.6.1 Cáp treo 27

2.6.2 Cáp cống 29

2.6.3 Cáp chôn trực tiếp 29

2.6.4 Cáp trong nhà và cáp vượt 29

2.6.5 Cáp thả dưới nước 30

2.6.6 Cáp thả biển 30

2.7 Hàn sợi quang 32

2.7.1 Nhận xét 32

2.7.2 Các phương pháp hàn cơ học 33

CHƯƠNG III: NGUỒN PHÁT QUANG 36

3.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn 37

3.1.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng 37

3.1.2 Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang 39

3.2 Phân loại nguồn phát quang 41

3.3 Diode phát quang (LED) 42

3.3.1 LED phát xạ mặt 42

3.3.2 LED phát xạ cạn 44

3.3.3 Các đặc trưng kỹ thuật của LED 44

3.4 LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 46

3.4.1 Cấu trúc và nguyên tắc làm việc 46

3.4.2 Một số loại laser được sử dụng 47

3.4.2.1 Laser đa mode Fabry_Pero (F_P) 47

3.4.2.2 LASER đơn mode 48

3.4.3 Các đặc trưng của laser 50

CHƯƠNG IV: NGUỒN THU QUANG 53

4.1 Khái quát về nguồn thu quang 53

4.2 Photo diode P-N 53

4.2.1 Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N 53

4.1.3 Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N 54

4.3 Photo diode PIN 56

4.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 56

4.3.2 Tham số kỹ thuật của PIN 57

4.4 Photo diode thác APD 58

4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 58

4.4.2 Các tham số kỹ thuật của APD 60

CHƯƠNG V: GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 62

5.1 Tổng quan về hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 62

5.1.1 Nguyên lý ghép kênh trong hệ thống OTDM 62

5.1.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM 63

5.2 Giải ghép và xen rẽ kênh trong hệ thống OTDM 64

5.2.1 Giải ghép 64

5.2.2 Xen rẽ kênh 67

5.2.3 Đồng bộ quang trong hệ thống OTDM 68

5.3 Đặc tính truyền dẫn của OTDM 69

5.4 Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 70

5.4.1 Các cấu trúc EDFA70 5.4.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA 72

5.4.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 75

5.4.4 Phổ khuếch đại 78

5.5 Kết luận chương 80

KẾT LUẬN 80

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

BẢNG:

BẢNG 2.1: Các đặc tính của phần tử gia cường

BẢNG 2.2: Phân loại sợi quang

BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED

BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN

BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD

BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM

HÌNH 2.4: Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất bậc

HÌNH 2.5: Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục HÌNH 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục HÌNH 2.7: Các loại cáp phòng tự treo

HÌNH 2.8: Cáp trong nhà và cáp vượt

HÌNH 2.9: Cáp thả biển

HÌNH 2.10: Hàn cơ học bằng ống mao

HÌNH 2.11: Hán cơ học bằng măng xông cơ học

HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp

HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp

HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt

HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử 

HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang

HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD

HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4

kênh quang

HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển

mạch phân cực quang

HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock

HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA

HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium

HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er3+

APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác

APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động

AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ

BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông

CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược

CP Condirectional Pumping Bơm thuận

DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc

DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắcEDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm ErbiumEDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn

ErbiumFBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride

FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng

GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien

ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu

LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang

MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu

MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu

MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi GradienMM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc

MoD Mode Dispersion Tán sắc mode

NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ

NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến

OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần sốOTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gianOTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang

OWDM Optical Wave Division

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực

PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN

PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha

SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc

SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước

sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đóthông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyền thôngngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh

tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu

Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thôngtin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng,dung lượng lớn Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc

độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyềndẫn thông tin quang tốc độ cao

Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổiđiện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang –điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyếntĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của cácphần tử phát và thu quang) Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫncủa hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát

và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn

Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vôcùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới Do đó để bao quát hếtđược vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn Chính vì thế, em đã chọn đề tài “ HỆTHỐNG THÔNG TIN QUANG VA NGHÉP KÊNH OTDM” để làm đề tài cho đồ ántốt nghiệp

Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau:

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhượcđiểm của hệ thống

CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG

Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và cácđặc tính riêng của từng loại.

CHƯƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG

Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang.Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang.CHƯƠNG IV NGUỒN THU QUANG

Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thutín hiệu quang

CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM

Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, những

ưu nhược điểm của hệ thống này

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và pháttriển rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cũng như các bạn cóquan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG

1.1 Sự phát triển của thông tin quang

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyểnđộng hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin, điềuchế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu Kế tiếp

là sự ra đời của một máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môitrường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyếtvấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa haingười ở cách xa nhau

Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966

đã chế tạo ra sợi quang có dộ tổn thất thấp ( 1000dB/Km) Bốn năm sau Karpon đã chếtạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km Từ thànhcông rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu,phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông

về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70 Sau dó giảm độtổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liêntục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm

Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối

lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng

một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi

là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng pháthiện và sử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng Photonhọc có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trongthế kỷ 21

1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang.

Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang:

Bộ biến đổi điện – quang (E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu

quang để truyền trong môi trường cáp quang(biến đổi xung điện thành xung quang)

Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo qui luật của

tín hiệu điện)

Nguồn phát quang

điện vào

Mạch điều khiển

Bộ nối quang

Sợi dẫn quang

Mối hàn sợi

Bộ chia quang

PhátquangMạch điện

Thu quang

Khuếch đại

t/h

Đầu thu quang

Tín hiệu điện ra

Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế

tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thuỷtinh, sợi nhựa

Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởngcủa nguồn sáng lạ (không bị nhiễu)

Bộ biến đổi quang - điện(O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo

dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành cáctín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu

Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụnăng lượng điện ít

Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trạm lặp biến

đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại Tín hiệu đã được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang

1.3 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang

1.3.1 Ưu điểm

 Sợi cáp nhỏ hơn sợi cáp kim loại(đường kính mẫu của sợi quang là 0,1 mm, nhỏhơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm), nhẹ hơn, dễ uốn cong Chi phí vậtliệu cáp ít, cáp lại được lắp đặt thuận tiện, ngay cả bằng tay Cáp quang hiện naycho phép tăng được nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đường kính cáp rất ít

 Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng củanước, axít, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có

bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt

 Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập mạch, vìthế nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàn toàn cách điện và không có mạchvòng chảy qua đất

 Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hưởng điện từ nên sợi quang cũng được sử dụngnhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu

 Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong dải tần rộngnên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi

cùng chi phí xây dựng mạng.Trong tương lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ dảirộng cũng rất phù hợp.Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớnhơn của cáp kim loại rất nhiều.

 Một cáp sợi quang có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một sốlượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại

 Dùng cáp sợi quang rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt và bảodưỡng Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập,cháy Không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài (như sóng vô tuyếnđiện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ) dẫn đến tính bảo mật thôngtin cao, không bị nghe trộm

 Sợi quang được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổnghợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượngnhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong

 Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu

 Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ

 Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện, IC lozicTTC và CMOS

 Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời gian trễnhư ở thông tin vệ tinh

 Độ rộng băng tần đến 3000GHz Đến nay với cách truyền tin AM hay Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz

Time-1.3.2 Nhược điểm

 Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại

 Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợiquang

 Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chóng bị hỏng và các mối hànmau lão hoá làm tăng tổn hao

 Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp

 Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog.

 Không thể truyền mã lưỡng cực

 Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi và đòihỏi độ chính xác tuyệt đối đặc là trong việc hàn nối sợi quang là rất phức tạp

1.3.3 Ứng dụng

Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điệnthoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình (dịch vụ băng rộng) và sẽ được sửdụng trong ISDN (là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuậtchuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong cácthiết bị đo

Do có các tiến bộ trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãitrên mạng lưới Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liêntỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đápứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lụcđịa, vượt đại dương vv Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệthống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào nào, các tiêuchuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản

Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,chúng đáp ứng cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn tất cả cáctín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặttrên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khácnhau, các cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cáp quang là môi trường truyềndẫn chính trong mạng lưới viễn thông của họ Các hệ thông thông tin quang sẽ là mũiđột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thôngcấp cao

CHƯƠNG II: CÁP SỢI QUANG

2.1 Bản chất của ánh sáng

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền đi dưới dạng ánh sáng,một cách chung nhất, có thể coi ánh sáng là một chùm các phần tử hạt rất nhỏ bé đượcphát ra từ một nguồn sáng Các phần tử này được hình dung như đang đi theo mộtđường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khigặp các môi trường đục Quan điểm này mô tả được đầy đủ các hiệu ứng về quanghọc trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ như các hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánhsáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ

và giao thoa, tuy nhiên hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa chỉ hãn hữu Năm 1986,Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện

từ Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển độngcủa sóng ánh sáng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánhsáng là sóng ngang Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang thì sóng điện từđược phát ra từ một nguồn nhỏ có thể được đặc trưng bởi một loại các mặt sóng hìnhcầu mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này Mặt sóng được xác định bởi các quĩtích tất cả các điểm ở trong loại sóng cùng pha

2.1.1 Các định luật cơ bản của ánh sáng

Các định luật cơ bản của ánh sáng có liên qua đến sự truyền ánh sáng trên sợiquang là hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng vận tốc của ánh sáng là:

suất mới thì gọi đó là tia khúc xạ, còn tia nào qua ranh giới này quay trở lại môi trườngban đầu thì gọi là tia phản xạ

Hình dưới đây minh hoạ quá trình phản xạ và khúc xạ ánh sáng ứng với mộtmôi trường thứ nhất có chiết suất n1 lớn hơn chiết suất n2 của môi trường thứ hai

2.1.2 Đặc tính tán xạ trong sợi quang

Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng cácxung ánh sáng ở đầu thu Thậm chí trong vài trường hợp các xung lân cận còn đè lênnhau, dẫn đến không phân biệt được xung, gây méo tín hiệu khi tái tạo Hiện tượngdãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ

Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà cácthời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời Tán xạ cóảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn cụ thể là:

Pháp tuyến

 Khi truyền tín hiệu số trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng các xung ánhsáng.

 Khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm và gây ra hiệntượng dịch pha Độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang bị giới hạn, ảnh hưởng củatán xạ được mô tả như sau:

Hình 2.2: Ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và tín hiệu analog (b)

 Tán sắc mdoe còn gọi là tán sắc giữa các mode

 Tán sắc mode là do các mode truyền trong sợi với tỷ lệ khác nhau và đến cuối đầuthu tại các thời điểm khác nhau, nghĩa là truyền tốc độ như nhau nhưng đến đầu thukhông đồng thời

 Trong các sợi đa mode có sự khác nhau về tốc độ nhóm giữa các dạng sóng Tuycác dạng sóng xuất phát từ đầu sợi tại cùng một thời điểm nhưng đến cuối sợi thìkhông đồng thời Giữa các dạng sóng (các tia sóng ) nhanh nhất và chậm nhất gây

ra độ lệch thời gian đặc trưng cho tán sắc mode

b> Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode

Hình b : Sụt biên độ

Hình a : Dãn xung

t P

T

s T

c

0 P

t

Tán sắc sắc thể có trong sợi đa mode và sợi đơn mode:

 Tán sắc sắc thể gây ra do sự phụ thuộc của tốc độ nhóm vào bước sóng của tín hiệu

và làm cho thời gian tới của các thành phần có bước sóng khác nhau không nhưnhau

 Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng:

+ Tán sắc vật liệu: Là do các bước sóng khác nhau từ nguồn quang và truyền với tốc

độ khác nhau do sự thay đổi các chỉ số khúc xạ theo bước sóng

+ Tán sắc ống dẫn sóng: Là do sự phụ thuộc không tuyến tính của hằng số chuyềnlan vào tần số bước sóng trong ống dẫn quang

2.2 Cấu tạo cáp sợi quang

2.2.1 Lõi cáp sợi quang

Bao gồm sợi quang đặt trong ống đệm chặt hoặc ống đệm lỏng được liên kếtvới nhau bằng cách xoắn quanh một phần tử trung tâm gọi là phần tử gia cường

Bước xoắn phải đủ dài để cho sợi quang không bị cong quá mức qui định và đủngắn để đủ độ giãn dài khi bị kéo căng cáp

Phần tử trung tâm làm bằng các plastic có rãnh vừa là chức năng gia cường vừa

để đặt sợi theo hình xoắn ốc Các ống đệm cũng bằng plastic

2.2.2 Vỏ cáp quang

Để bảo vệ lõi cáp khỏi bị ảnh hưởng từ bên ngoài Các vỏ plastic (một hoặcnhiều vỏ) để bao bọc lõi cáp

a> Vỏ ngoài cùng làm từ PVC, Polyethyleen và Polymethame-loại này có đặc tính

cơ học tốt, chống cháy có độ ẩm cho phép cao PE có tính cơ và hoá tốt, chốngcháy kém, hệ số ma sát thấp thuận lợi cho khi kéo cáp vào cống

b> Vỏ trong cùng thường dùng Polymêthame vì nó mềm dẻo

c> Lớp chắn hơi ẩm thường là nhôm mỏng quấn kín lõi cáp và ở phía trong vỏ lớp

ngoài cùng: Khi vỏ ngoài bị phồng lên thì lớp các lá nhôm này vẫn ôm chặt lớpphía trong như vậy ngăn được nước đang nằm trong lớp vỏ ngoài thấm vàotrong

d> Vỏ bảo vệ bằng kim loại ( Armuor) bằng các sợi thép hoặc bằng thép có múi

được dùng cho cáp chôn trực tiếp để bảo vệ các ứng suất xuyên tâm và chốnggậm nhấm

2.2.3 Phần tử gia cường

 Phần tử gia cường được đặt trong lõi cáp quang để tạo ra sức chịu lực căng và sứcchống co để đảm bảo cho cáp được ổn định khi lắp đặt cáp, khi nhiệt độ của môitrường thay đổi

 Phần tử gia cường phải là vật liệu nhẹ, mềm dẻo có modul đàn hồi cao

 Phần tử gia cường có thể là:

+ Kim loại: Thường là các loại dây thép được đặt tại tâm hoặc vỏ của cáp khi dùng

thép phải chú ý chống ăn mòn và chống điện áp cao do sét đánh

+ Phi kim loại: Thường là dây thuỷ tinh Plastic tăng cường(G-FRP) hoặc là các sợi

amid Thường đặt ở tâm cáp có độ mềm dẻo cao(hoặc đặt phân tán trong vỏ cáp)

a> Các cách đặt phần tử gia cường trong lõi cáp quang

1.Phần tử gia cường

2 Lõi cáp

3 ống đệm

1 2

Hình 2.3: Cách đặt phần tử gia cường.

b> Các đặc tính của phần tử gia cường

Vật liệu TrọngL

ượng riêng

Modul đàn hồi kg/mm2

Ứng suất điểm uốn kg/mm2

Độ co dãn điểm uốn %

Ứng suất tại điểm gẫykg/mm2

Độ giãn tại điểm gãy %

Dây thép 7,86 20.103 40-150 0,2-1,0 50-300 20-25Sợi Cacbon 1,5 10-20.103 150-200 1,0-1,5 150-250 1,5

a> Các dây dẫn có cách điện: Các dây này là một thành phần của lõi cáp dùng để

truyền các kênh nghiệp vụ hoặc để phát hiện thấm nước vào cáp hoặc cấp nguồn từ xa nhưng sự có mặt của các dây này gây ra nhược điểm cho cáp là hiệntựơng cảm ứng điện từ của dây cao áp hoặc sét

b> Các lớp đệm lót được sử dụng để bảo vệ lõi cáp từ lực nén xuyên tâm: đó là các

vật liệu Plastic quấn hình trôn ốc quanh lõi cáp

c> Các băng quấn quanh lõi cáp : Các băng này có hai chức năng:

- Liên kết các thành phần của lõi cáp với nhau

- Tạo ra lớp ngăn nhiệt khi bị nóng và phồng ra.

d> Một số bộ phận để bơm không khí khô để chống ẩm vào và chống nước

e> Chất độn làm đầy để bảo vệ lõi cáp không bị hơi ẩm thấm vào trong và chống nước ngấm dọc cáp khi vỏ cáp bị thủng Nó có tác dụng ổn định hoá học không

tạo khí Hyđrôgen.Chất độn chủ yếu nằm trong vỏ cáp có khi cả lõi cáp

2.3 Phân loại sợi quang

Như trong bảng 2.2, sợi quang được phân loai theo nhiều cách như phân loạitheo vật liệu điện môi sử dụng, mode truyền dẫn, phân bố chiết suất khúc xạ của lõiv.v

Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh

Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệuSợi quang bằng nhựa

Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode

Sợi quang đa modePhân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất bậc

Sợi quang chiết suất biến đổi đều

Bảng 2.2: Phân loại sợi quang.

2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi

Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì tổng số có ba loại :

 Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) màcòn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P v.v để làm thay đổi chiết suất khúcxạ

 Sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinhboro- silicat

 Sợi quang nhựa thường được sản xuất bằng PMMA (Polymethyl metharcylate)

2.3.2 Phân loại theo mode lan truyền

Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:

 Sợi quang đơn mode (được gọi tắt là SM): loại này chỉ cho một mode lan truyền

 Sợi quang đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền

2.2.3 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ

Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:

a> Sợi quang đa-mode chiết suất phân bậc:

Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đó sẽ lan truyền tronglõi theo phương thức phản xạ hoàn toàn Khi cáp quang bị uốn cong đột ngột thì gócgiữa đường quang và mặt phẳng biên có thể lớn hơn góc tới hạn do vậy tổn hao sangmặt áo sẽ tăng lên Trong kiểu sợi quang đa phương thức ánh sáng đi thẳng và ánhsáng phản xạ hoàn toàn với góc lớn sẽ có các góc khác nhau Tỷ lệ với sự chênh lệchnày có sự chênh lệch về thời điểm đến của đầu cuối làm cho việc truyền thông tin đếncác địa điểm xa vài trụcMHz-Km

b> Sợi quang đa – mode chiết suất biến đổi:

Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai lệch về thời giannhư đã đề cập ở trên Loại sợi quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có

độ khúc xạ nhỏ hơn về phía áo sợi quang Điều này có nghĩa là sự phân bố hệ số khúc

xạ có hình chuông Nếu đúng như vậy thì tốc độ của ánh sáng mà nó bị uốn cong theochiều dài sẽ tăng lên khi hệ số khúc xạ giảm đi và do vậy ánh sáng sẽ dến đầu cuối ragần đúng như thể ánh sáng đã lan truyền theo một đường thẳng Vì vậy nó có thể giữ

nhiều thông tin ( GHz-Km) gấp hàng trăm nghàn lần so với sợi quang chi số bước.Đường kính của lõi sợi quang chỉ số lớp này là 50m và đường kính của áo sợi quang

là 125 m

c> Sợi quang đơn mode (Nằm trong nhóm sợi quang chiết xuất phân bậc):

Đường kính và lõi của sợi quang đơn model nhỏ hơn nhiều so với sợi quang đamodel Khi đường kính và lõi của sợi quang giảm xuống và độ sai lệch về hệ số khúc

xạ giữa lõi và áo sơị quang giảm đi Trong trường hợp này không có sự khác biệt nào

về thời gian do sự khác biệt giữa các góc lan truyền gây ra vì vậy nó có dải thôngtruyền dẫn lớn (100GHz-Km hoặc hơn nữa)

2.4 Các nguyên tắc lan truyền ánh sáng của sơi quang

2.4.1 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa model chiết xuât bậc

Đa mode chiết xuất bậc đa dạng sóng có chiết suất nhảy bậc Sợi quang đamodel chiết suất bậc có đường kính chỉ bằng đường kính của 1sợi tóc, bọc bên ngoài

là vỏ cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất bé hơn Độ rộng băng tần đạt đến 100MHz/Km.Khi một tia sáng đi vào sợi quang với một góc tương đối hẹp, nó bị phản xạ liên tục ởđường biên cho đến khi nó chạy ra ở đầu cuối

Có nhiều tia sáng trong lõi, n1=const nên tốc độ của ánh sáng trong lõi là: c/n1=const

Vậy mọi tia sáng được truyền trong lõi sợi có vận tốc giống nhau Tia nào cóquãng đường đi ngắn thì thời gian truyền nhỏ sẽ đến sớm hơn và ngược lại Các tiasáng đến cuối sợi cáp không đồng thời Xung ánh sáng ở cuối sợi cáp là xung quangtổng hợp thành phần đến xung cuối sợi cáp bị dãn rộng và sụt đỉnh, xuất hiện giao thoagiữa các xung quang ( méo tín hiệu) Vì những lý do trên mà sợi quang SI-MM chỉ sửdụng cho các đường truyền tốc độ thấp cỡ chục Mb/s trong các tuyến có cự ly ngắn,không dùng trong các tuyến đường trục

Hình 2.4: Ánh sáng truyền qua sơi quang đa mode chiết suất bậc.

Hình 2.4 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất bậc

2.4.2 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết xuất liên tục ( GI-MM)

Hình 2.5: ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục.

Sợi quang đa mode- Chiết suất giảm dần có đường kính lõi gần 50m Độ rộngbăng tần đạt khoảng 1GHz.Km Cấu tạo của lõi sợi quang coi như tạo bởi nhiều thấukính hội tụ xếp đặt theo thứ tự nhất định

Có nhiều tia sáng được truyền trong lõi, n1 giảm theo bán kính nên vận tốc củatia sáng trong lõi là :

hình sin, có tia sáng chưa kịp tới bề mặt tiếp giáp giữa n1và n2 thì đã bị uốn cong quaytrở lại lõi Tia sáng nào có quãng đường đi dài thì có vận tốc lớn, tia sáng có quãngđường đi ngắn thì có vận tốc nhỏ Các tia sáng đến cuối sợi cáp tương đối đồng thờinên xung quang ít sụt đỉnh ít bị giãn rộng Vì vậy sợi GI- MM có khả năng truyền tốc

độ cao hơn SI-MM Thường được sử dụng ở các đường truyền có tốc độ hàng trămMb/s

2.4.3 Sợi quang đơn mode chiết suất bậc

Hình 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục.

Đường kính của sợi quang được làm thật bé chỉ có ánh sáng song song với trụcđược truyền đi như thế sự đa dạng và méo xung được khắc phục, đường kính của sợibằng 5m Theo lý thuyết lượng thông tin truyền qua sợi quang đạt tới 100Gb/s Độrộng băng tần được coi là vô hạn Nhưng điều này còn bị giới hạn bởi nguồn sáng chỉcòn 10GHz/Km

Ánh sáng truyền trong sợi thì đạt được diều kiện chỉ còn mode cơ bản đượctruyền trong lõi sợi Có hai cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode

2.5 Đặc tính suy hao của sợi quang ( Ký hiệu suy hao = AT )

- Suy hao của sợi quang là một trong các thông số quan trọng để xác định khoảngcách thông tin trên mỗi khoảng lặp cực đại Tính bằng dB/Km

- Suy hao phụ thuộc vào bước sóng truyền qua sợi quang và phụ thuộc vào lõi sợiquang Nhưng suy hao phải đủ nhỏ có thể truyền công suất quang từ đầu phát đếnđầu thu đạt chỉ tiêu theo thiết kế.

2.5.1 Các yếu tố suy hao bên trong

Khi ánh sáng truyền trong sợi quang ánh sáng bị hấp thụ do bị cộng hưởng cựctím(UV)kết hợp với cấu trúc các nguyên tử tinh thể, đuôi cộng hưởng hồng ngoại kếthợp với các liên kết phân tử

a> Suy hao do tác động của ánh sáng vào các điện tử của nguyên tử (AT) mà đỉnhhấp thụ của nó nằm trong vùng cực tím(UV), còn đuôi của nó lan sang vùng gầnhồng ngoại (IR)- là vùng bước sóng hoạt động của các sợi quang

b> Do tán xạ Rayleigh do sự thay đổi bất thường thành phần của góc nhiệt động họctrong vật liệu thuỷ tinh

2.5.2 Suy hao do công nghệ chế tạo sợi quang

a> Lượng hấp thụ ánh sáng do chất bẩn của thuỷ tinh đặc biệt có hại hơn là lẫn cácion kim loại vào sợi quang Nhưng với kỹ thuật chế tạo sợi quang bây giờ yếu tốnày có thể bị loại bỏ

b> Một loại chất bẩn nữa mà kỹ thuật hiện nay không thể loại bỏ được là gốc nước

OH gây ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng 1,38 m có trị số suy hao 40 dB/Km khitrọng lượng chiếm một phần triệu Công nghệ sản xuất sợi quang hiện nay chophép suy hao gốc nước OH gây nên chỉ chiếm khoảng 0.3 dB/Km đến 2dB/Km.Ngoài ra còn các đỉnh hấp thụ OH gây ra ở các bước sóng 1,25 m và 0.9 mnhưng có trị số suy hao bé hơn Những đỉnh này trước đây rất quan trọng đã ảnhhưởng đến các cửa sổ suy hao thấp

- Cửa sổ suy hao thứ nhất gần 0,85m

- Cửa sổ suy hao thứ hai gần 1,3 m

- Cửa sổ suy hao thứ ba gần 1,55 m

c> Quá trình sản xuất các công đoạn chế tạo phôi thuỷ tinh, kéo sợi gây ra các khuyếttật và ứng suất làm suy hao khoảng 0,15 - 0,16 dB/Km đối với sợi đa mode tạicửa sổ thứ ba

2.5.3 Các nguyên nhân gây suy hao ngoài

a> Khi lắp đặt và hàn nối sợi làm cho trục của lõi sợi bị biến dạng gây nên cho sợicong và vi cong

Suy hao vi cong có thể do hai nguyên nhân sau:

- Nhiệt độ và lực ép khi lắp đặt cáp

- Khi đặt sợi cáp trong quá trình sản xuất và chế tạo sợi cáp

b> Khi lắp đặt lực ép vào các bề mặt gồ ghề của vỏ sợi hoặc do oằn sợi nằm trong

vỏ cáp

c> Sự phụ thuộc vào nhiệt độ:

Do vật liệu chất độn và vật liệu cáp có hệ số dãn nở khác nhau Khi nhiệt độthay đổi làm cho lực ép vào sợi quang cũng thay đổi từ đó sẽ tạo ra suy hao vi cong dobiến đổi sợi

2.5.4 Suy hao do hàn nối sợi

Các bộ nối để nối hai đầu của sợi quang với nhau trên panel hoặc các cổng

“đuôi heo” của thiết bị Đặc tính quan trọng của bộ nối là phải gắn với lõi với mức độchính xác cao, cụ thể làm tâm của hai lõi không được lệch nhau quá phạm vi cho phép

và khe hở hai đầu của sợi phải thật bé để phản xạ nhỏ nên suy hao phải thật bé

- Suy hao khi nối hai sợi có lõi khác nhau

- Suy hao do nối hai sợi có góc mở khác nhau

- Suy hao do đặt lệch sợi và sợi không đồng tâm.

- Suy hao gây ra do mặt cắt của hệ số khúc xạ không đối xứng

- Suy hao do khoảng cách giữa hai đằu của sợi đặt xa nhau

- Suy hao do hai đầu của sợi có góc nghiêng

- Suy hao do phản xạ Frenel

2.5.5 Méo mode

Yếu tố cuối cùng sinh ra sự suy giảm tín hiệu là méo giữa các mode Đây là hậuquả của của sự chênh lệch về trễ nhóm đối với từng mode riêng rẽ tại một tần số đơnthuần

2.6 Các hình thức lắp đặt cáp

2.6.1 Cáp treo

a> Cáp treo được phân loại có dây treo ngoài và có dây treo trong Sợi cáp đượcnâng lên và gắn buộc vào dây treo với vỏ ngoài của cáp Khi thi công chỉ cần nâng vàgắn day treo đó vào cột Cách lắp đặt loại này nhanh gọn, ít tốn kém hơn, nhưng ảnhhưởng đến các công trình khác, không đảm bảo mỹ quan thành phố hoặc điều hànhgiao thông

Đối với cáp có dây treo ngoài không đòi hỏi lực căng đặc biệt mà chỉ cần cókhả năng chịu nhiệt tốt và đặc tính cơ học tốt Loại này dùng cho những vùng có băng

và gió mạnh hoặc có khoảng lặp quá dài

Laghing wire

20mm

12mm

G – 2011 FAP Support member

Meternal Strength Member

Optic al Unit

Fiber Strength member

Polyruetha

ng sheath

Slotted coer

Kelat strength member

Polyethylen Sheath

With internal

Sheangth member

12mm With internal streng member

Hình 2.7: Các loại cáp phòng tự treo.

Loại tự treo phải có ứng suất cơ và nhiệt cao trong quá trình khai thác, phải đảm bảochịu được lực căng lớn Loại có dây treo ngoài có thể sử dụng mọi loại cấu trúc nhưngloại tự treo chỉ dùng cấu trúc đệm lỏng để sợi không gian di chuyển tự do.

2.6.2 Cáp cống

Đường cống đặt cáp làm bằng bê tông, ống sành hoặc ống nhựa được nối với nhaubằng các bể cáp (hầm cáp) sau đó cáp được luồn vào trong cống Hình thức này xâydựng tốn kém Kỹ thuật lắp đặt phức tạp, nhưng nó thích hợp với mạng lưới cố định,lâu dài và đảm bảo mỹ quan trong thành phố, không gây cản trở giao thông, quản lýmạng cáp tiện

Cáp cống không có dây bện để treo

Cáp cống phải chụi lực kéo và chống vặn cáp khi kéo vào cống Cáp phải nhẹ đểlắp đặt trong tuyến có cự ly dài và mềm mại tránh dủi do khi lắp đặt Vỏ cáp chọn saocho tự nó có khả năng giảm ma sát đến mức tối thiểu để kéo đặt trong cống dễ dàngthường là vỏ PE

2.6.4 Cáp trong nhà và cáp vượt

Cáp trong nhà là loại cáp có ít sợi có cấu trúc chặt để cho đường kính của cáp nhỏ

và mềm mại chống va đập, dễ nối Có khả năng chống gậm nhấm và chống xây xát.Cáp vượt giữa các nhà cao tầng cũng là loại cáp trong nhà (có thể sử dụng loại cáp

tự treo)

Cáp trong nhà và cáp vượt đều phải dính sát tường nhà cao tầng vỏ cáp phải đượcchế tạo bằng chất không bắt lửa không tạo ra hơi độc và khói đen.

Hình 2.8: Cáp trong nhà và cáp vượt.

2.6.5 Cáp thả dưới nước

a> Cáp thả dưới nước là loại cáp thả qua ao, hồ, sông ngòi và đồng ruộng hoang có

nước sâu

b> Loại cáp này phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Vỏ cáp này phải được gia cường chịu được sức kéo đứt do dòng nước chẩy, chống

ăn mòn vỏ cáp và khi kéo lắp đặt

 Chống ẩm và chống thấm nước tại vùng có áp xuất cực đại, chống thấm dọc cáp

 Chịu lực ép tĩnh cao, chịu đựng sự va chạm

2.6.6 Cáp thả biển

2,5mm

PVC SHEATH

ARAMID FIBER STRENGTHMEMBER

FIBE

RS PVC SHEATH

FLAT UNDER CARPET CABLE

Cáp quang thả biển phải có suy hao bé, băng tần rộng để đạt được đoạn lặp cựcđại Vì vậy phải sử dụng sợi đơn mode Tuyến cáp quang thả biển phải có độ tin cậycao, các đặc tính cơ học và truyền dẫn phải ổn định trong một thời gian không ít hơn

25 năm Cáp quang thả biển phải có cấu trúc cơ bản như hình vẽ dưới đây Hai lớp dâysắt ở gần tâm đóng vai trò phần tử gia cường để chống lại lực kéo và lực ép của nước.Các ống kim loại bằng đồng và bằng nhôm ở phía trong và phía ngoài để ngăn nước vàlàm dây dẫn cấp nguồn cho cáp trạm lặp Điện trở một chiều của ống dẫn khoảng0,7/Km

Hình 2.9: Cáp thả biển.

Vỏ bọc bên ngoài cũng bằng PE phải vững chắc để bảo vệ cáp và có khả năngcách điện cao khi có cấp nguồn cao áp Đối với cáp cần bảo vệ đặc biệt thì các sợi thépcủa vỏ sắt phải có thêm lớp vỏ plastic Các sợi quang có tới 12 sợi đơn mode Hai giải

METAL RIBBON

SLOTTED CORE (METALLIC OR NOT)

PLASTIC SHEATH

ARMOUR

SHEATHPOLYETHYLENE

METALLIC TUBE

STRENGTH MEMBER

STEEL WIRES

26mm

pháp được sử dụng: các sợi được bọc và soắn xung quanh sợi gia cường trung tâm vàđặt trong chất độn plastic hoặc cao su silicon, còn nếu sợi lỏng thì đặt trong lõi có kheđược làm đầy bằng dầu thích hợp.

+ Cáp thả biển phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

 Có đủ sức chụi đựng lực căng đảm bảo cho sợi bị kéo căng ít nhất khi lắp đặt hoặckhi nằm dưới đáy biển sâu hoặc khi bị cá mập tấn công trong vùng nước nóng.Trong trường hợp thứ hai cáp phải có vỏ sắt lực căng thông thường của cáp không

2.7 Hàn sợi quang

2.7.1 Nhận xét

Nhìn ở bên ngoài sợi quang ta không thể phân biệt được sợi đa mode hay đơnmode Vì đường kính vỏ của hai loại đều như nhau, chỉ có đường kính của lõi sợi đamode là lớn hơn sợi đơn mode Bởi vậy kỹ thuật hàn sợi đơn mode phải cao hơn

 Suy hao mỗi mối hàn sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật hàn

 Trước khi hàn phải chuẩn bị đầu sợi để hàn như sau:

Bóc hết các lớp vỏ giấy chống ẩm, sợi tơ thuỷ tinh vv chỉ để lại các ống đệm cósợi quang và dây dẫn cấp điện nguồn (nếu có) và các sợi gia cường với độ dài khoảngthích hợp

a> Lấy kìm tuốt vỏ nhựa của sợi quang (ống đệm)

b> Khi kéo vỏ nhựa ra khỏi sơi dây phải đặt sợi dây thẳng và tay phải kéo nhẹ kìm

để sợi dây không bị đứt

c> Tiếp theo dùng kìm và dao tuốt vỏ bảo vệ sợi dây là lớp vỏ đầu tiên của sợi dây

bọc bằng silicol Sau đó dùng bông hoặc giấy mềm khô để lau lần cuối cùng.Khi sợi đã sạch lúc đó dùng dao cơ khí hoặc điện để cắt sợi dây: cắt bỏ mộtđoạn dài khoảng 2-3cm

d> Làm ống báo vệ mối hàn vào một sợi để sau khi hàn song đậy ống này lên mối

hàn bảo vệ mối hàn an toàn

 Sau đó gài sợi quang vào bên trong và bịt kín cố định

HOLE

GLASS ORCERAMIC CAPILLARY

OPTICAL FIBER

 Có một lỗ khoan ở giữa thanh ống để bỏ keo dán vào trong lỗ khoan để giữ cho sợiquang ổn định cơ học và làm phù hợp chỉ số khúc xạ, tránh sự phản xạ.

b> Hàn cơ học bằng măng xông cơ nhiệt:

Một trong hai đầu sợi được gài vào măng xông có điểm nóng chảy thấp hơnsilicol sau đó đốt nóng cho măng xông co lại và áp xuất vào sợi Đưa chất keo dán bảo

vệ cho sợi từ một đầu của măng xông

Sợi thứ hai được gài vào nửa còn lại của măng xông và được giữ chặt nhờ keodán Epoxy đổ đầy vào trong ống

Hình 2.11: Hàn cơ học bằng măng xông cơ nhiệt.

COLLAPSED SLEEVE OPTICALFIBEREPOXY

GLUE

CHƯƠNG III: NGUỒN PHÁT QUANG

Vùng dưới gồm các mức năng lượng thấp hơn gọi là vùng hoá trị với mức đỉnh

ký hiệu là B (ev), vùng trên gồm các mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn với mứcthấp nhất ký hiệu là Ec Vùng giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn không tồn tại mức gọi

là vùng cấm, ký hiệu là EG (band gap), nó có giá trị là:

EG=EC – EV (eu)Tuỳ theo trạng thái của chất bán dẫn, trong vùng năng lượng các điện tử có thểchiếm đầy hoàn toàn các mức, chiếm một số mức hoặc để trống hoàn toàn Trong điềukiện cân bằng nhiệt của chất bán dẫn đại đa số các điện tử nằm tại các mức trong vùnghoá trị, có rất ít điện tử nằm ở vùng dẫn Chất bán dẫn không phát xạ ánh sáng

Quá trình bức xạ ánh sáng do tái hợp của chất bán dẫn diễn ra theo 3 giai đoạnsau đây:

 Sự hấp thụ năng lượng từ bên ngoài gọi là nguồn bơm

 Sự dịch chuyển điện tử lên trạng thái kích thích

 Sự chuyển dich điện tử tái hợp

Quá trình bức xạ do tái hợp diễn ra như sau:

Khi chất bán dẫn được cấp một năng lượng có mức lớn hơn năng lượng vùngcấm E>EG (gọi là nguồn bơm) thí dụ như tăng nhiệt độ, chiếu ánh sáng hoặc cấp điện

áp định thiên, thì một số điện tử nằm ở mức E1 trong vùng hoá trị (gọi là mức ổn định)hấp thụ được năng lượng cấp này sẽ dịch chuyển lên mức E2 thuộc vùng dẫn và tạivùng hóa trị hình thành các lỗ trống, số lỗ trống bằng số điện tử đã dịch chuyển lênvùng dẫn.

Điện tử nằm ở mức E2 này gọi là điện tử ở trạng thái bị kích thích Vì trạng tháikích thích của điện tử là không ổn định, nên chúng sẽ bị hạt nhân nguyên tử hút quaytrở về mức ổn định E1 trong vùng hoá trị

Khi điện tử dịch chuyển từ mức E2 về mức E1 để tái hợp với lỗ trống thì mộtnăng lượng được giải phóng Nếu năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng (photon)thì sự dịch chuyển tái hợp bức xạ Ánh sáng phát ra của dịch chuyển này được tínhtheo định luật Planck là:

1

2 E E

thì ngay lập tức dịch chuyển về mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ

ra một photon ánh sáng Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức (StimulateEmission) sự bức xạ ánh sáng kích thích của Eistein Ở đây v là tần số của photonchiếu vào được tính theo công thức trên Chúng có cùng hướng và đồng pha với nhau

Nên ánh sáng bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp Ánh sáng kết hợp có cường độmạnh hơn nhiều so với cường độ của ánh sáng tự phát Ánh sáng LED phát ra là ánhsáng tự phát, còn ánh sáng của diode laser LD phát ra là ánh sáng kích thích.

3.1.2 Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang

Không phải mọi chất bán dẫn đều có thể bức xạ ra ánh sáng, mà chỉ có một sốchất bán dẫn có các tính chất nhất định mới bức xạ ra ánh sáng

Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn nănglượng và bảo toàn xung lượng

Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp xảy ra dễ hơn và với xác suất lớn hơn trong chấtbán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp, và khó xảy ra hơn và với xác suất nhỏ hơn trongchất bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp

1-Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượngcủa nó có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị tương ứng vớicùng một giá trị xung lượng p hoặc vecto sóng k của điện tử Đại đa số các bán dẫnvùng cấm loại trực tiếp đều là bán dẫn hợp chất như: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP.Chúng là các chất chủ yếu để chế tạo ra các LED và LD

Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp

2-Bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượngcủa nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hoá trị ứng với cácgiá trị khác nhau của xung lượng p hay vector sóng k của điện tử Các bán dẫn này cóthể là bán dẫn đơn chất như Ge, Si hay hợp chất như AlAs, GaP Chúng không dùng

để chế tạo các nguồn phát quang

Bình thường ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra ở cả hai phía của diode rấtthấp (do độ rộng vùng cấm EG và chiết suất của hai vùng P- N của chuyển tiếp có giátrị là xấp xỉ nhau) Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích

Hình 3.2 Dải cấm năng lượng gián tiếp