Thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêu cầu về thông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạng mới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 8

DANH SÁCH CÁC BẢNG 10

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 11

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 11

1.1.1 Lịch sử phát triển 11

1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12

1.1.3 Ưu nhược điểm 15

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 16

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 16

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến 16

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự li truyền dẫn 17

1.2.4 Phân loại theo phương thức ghép kênh 17

1.3 Các thành phần của hệ thống thông tin quang 18

1.3.1 Sợi quang và cáp quang 18

1.3.1.1 Cấu tạo phân loại sợi quang 18

1.3.1.2 Cáp quang phân loại cáp quang 23

1.3.2 Các thiết bị phát quang 27

1.3.3 Các thiết bị thu quang 33

1.3.4 Các trạm lặp 38

1.3.5 Các trạm xen rẽ kênh 39

1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang 40

1.5 Truyền ánh sáng trong sợi quang 41

1.5.1 Đặc điểm của ánh sáng 41

1.5.2 Nguyên lý truyền ánh sáng trong lõi sợi quang 43

1.5.3 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang 44

Chương II CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 49

2.1 Giới thiệu 49

2.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang 49

2.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian 50

2.2.2 SONET/SDH 51

2.2.3 Gigabit Ethernet 52

2.3 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 53

2.3.1 Định nghĩa 53

2.3.2 Nguyên lý cơ bản của WDM 53

2.4 Các linh kiện dùng trong hệ thống WDM 57

2.4.1 Bộ ghép/tách tín hiệu 57

2.4.2 Bộ Isolator/circulator 58

2.4.3 Bộ lọc quang 60

2.4.4 Bộ ghép tách kênh bước sóng 63

2.4.5 Bộ chuyển mạch quang 65

2.4.6 Bộ chuyển đổi bước sóng 66

2.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 67

2.5.1 Ưu điểm 67

2.5.2 Nhược điểm 68

Chương III NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM 69

3.1 Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 69

3.2 Ổn định bước sóng của nguồn quang và độ rộng phổ của nguồn phát 72 3.3 Xuyên nhiễu giữa các kênh 73

3.4 Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM 73

3.5 Tán sắc bù tán sắc 74

3.6 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 76

3.6.1 Hiệu ứng SRS 77

3.6.2 Hiệu ứng SBS 79

3.6.3 Hiệu ứng SPM 80

3.6.4 Hiệu ứng CPM 81

3.6.5 Hiệu ứng FWM 81

3.7 Bộ khuếch đại EDFA 83

3.7.1 Nguyên lý khuếch đại quang 83

3.7.2 Phân loại khuếch đại quang 84

3.7.3 Bộ khuếch đại quang pha tạp Ebirum 85

3.7.3.1 Các cấu trúc của EDFA 85

3.7.3.2 Nguyên lý khuếch đại trong EDFA 86

3.7.4 Yêu cầu đối với nguồn bơm 90

3.7.5 Phổ khuếch đại 93

3.7.6 Các tính chát của EDFA 95

3.7.7 Ưu khuyết điểm của EDFA 97

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học, những nghiên cứu

và phát minh mới được công bố, kéo theo đó là những công nghệ mới được ra đời Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và của khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người phải liên tục đổi mới về công nghệ cũng như phương thức hoạt động, Ngành công nghệ thông tin cũng như điện tử viễn thông cũng không nằm ngoài quy luật đó Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêu cầu về thông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạng mới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhu cầu đó, song nếu sự ra đời của các mạng mới mà không có sự thay đổi về băng thông, đường truyền thì cũng sẽ không đáp ứng được về dung lượng truyền dẫn cho các mạng đó hoạt động một cách hiệu quả nhất Với những yêu cầu bức thiết đó thì mạng thông tin quang đã được ra đời và đưa vào sử dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây Mạng thông tin quang ra đời đã giải quyết được vấn đề về băng thông đường truyền cho các nghành thông tin truyền thông ở trên thế giới cũng như tại Việt Nam

Với băng thông lớn dung lượng dồi dào, thì mạng thông tin quang đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội Song để khai thác hết tiềm năng viễn thông này đòi hỏi phải có những công nghệ và phương thức mới đưa vào sử dụng để có được hiệu quả cao nhất Có rất nhiều công nghệ ghép kênh đã được sử dụng như: ghép kênh theo thời gian OTDM, ghép kênh theo tần số OFDM, song vẫn chưa thể đáp ứng cho nhu cầu về truyền dẫn, chi phí lắp đặt còn quá cao mà hiệu quả lại khôn cao không tận dụng hết dải thông của nguồn ánh sáng Với sự ra đời của phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM thì phần nào đã giải quyêt được vấn đề này, Đây là phương thức ghép kênh mà các tín hiệu quang được phân chia thành các bước sóng và sau đó được

ghép vào trên cùng một sợi quang và được truyền đi với phương thức mới này thì nó đã phần nào đáp ứng được băng thông truyền dẫn tín hiệu Nhưng nó vẫn chưa phải là phương thức hiệu quả nhất, bởi nó vẫn còn những nhược điểm cần phải khắc phục, và hơn nữa chưa tận dụng hết dải thông của nguồn ánh sáng Trong tương lai sẽ có những phương thức mới sẽ được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin quang nhằm khai thác được hết dải thông của nó Để đường truyền dẫn tín hiệu thông tin đạt hiệu quả cao nhất

Em đã chọn đề tài Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM để nghiên cứu

và tìm hiểu Đề tài của em bao gồm ba chương:

CHƯƠNG I: Tổng quan về về hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG II: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng

CHƯƠNG III: Những vấn đề kỹ thuật của công nghệ WDM và bộ khuếch đại

quang pha tạp ErbiumTrong quá trình tìm hiểu được sự chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo

Nguyễn Anh Quỳnh nên em đã hoàn thành được bản đồ án này trong khoảng thời gian

quy định, song là một sinh viên đang ngồi trên ghế nà trường, và kiến thức đang còn nhiều hạn chế nên sự tìm hiểu và nghiên cứu vẫn còn gặp nhiều khó khăn, chưa thể đi sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm về nguyên lý cấu tạo cũng như hoạt động của các thiêt bị truyền dẫn quang Vẫn đang còn cần phải tìm hiểu học và học hỏi rất nhiều, và em rất mong được các thầy cô giáo chỉ bảo và giúp đỡ em nhiều hơn để sự hiểu biết của em có thể được nâng lên, và hoàn thiện bản thân mình hơn, và em cũng xin các thầy, cô giáo cho em những nhận xét về cuốn đồ án này để em co thể hoàn thiện nó hơn

Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh đã

nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và

em cũng xin được chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô Giáo trong và ngoài khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên cứu tại trường để

em có được một vốn hiểu biết mới

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2010

Sinh viên

Nguyễn Hữu Việt

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh

AOTF Acousto- Optic Turnable Fitter Bộ lọc quang âm điều chỉnh đượcAPD Avalanche Photo – Diode Photodiode thác lũ

APS Automatic Protection Switching chuyển mạch bảo vệ tự độngASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đạiATM ASynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộAWG Arrayed – Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận

CPM Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha

DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp

chấtDWDM Dese Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng quang

DXC Digital Cross conect Bộ kết nối chéo số

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn

ErbiumFPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry – Perot

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IL Insersion Loss Suy hao xen

MZF Mach- Zehnder Filter Bộ lọc Mach – Zehnder FilterMZI Mach – Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach – Zehnder

Interferometer

OADM Optical Add – Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang

OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang

OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang

OSNR Optcal Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quangOTDM Optical Time Devision Multiplexer Ghép kênh quang phân chia theo

thời gianOXC Optical Cross connect Bộ kết nối chéo quang

PDH Plesiochronous Digital Hierachi Phân cấp số đồng bộ

SBS Stimulated Brilouin Scaterring Tán xạ do kích thích BrillouinSDH Synchronouns Digital Hierachi Phân cáp số đồng bộ

SNR Signal to Noisy Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫnSONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ bị kích thích Raman

TDM Time Division Multiplexer Ghép kênh theo thời gian

WC Wavelength Converted Bộ chuyển đổi bước sóng

WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng

XPC Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12

Hình 1.2 Suy hao sợi quang theo bước sóng 14

Hình 1.3 Cấu tạo sợi quang 18

Hình 1.4 Sợi quang đa mode MM 21

Hình 1.5 Sợi đơn mode 21

Hình 1.6 Sợi SI và Sợi GI 22

Hình 1.7 Cấu tạo chung của cáp quang 25

Hình 1.8 Cấu trúc của LED 28

Hình 1.9 Cấu trúc LED phát mặt 29

Hình 1.10 Cấu trúc LED phát cạnh 29

Hình 1.11 Diode lazer 31

Hình 1.12 Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên 32

Hình 1.13 Sơ đồ vùng năng lượng của photođiode PIN 34

Hình 1.14 Hệ số hấp thụ theo bước sóng 35

Hình 1.15 Đáp ứng Photodiode PIN 35

Hình 1.16 Cấu trúc diode photodiode 36

Hình 1.17 Sơ đồ sơ lược mạch điện của bộ thu quang 37

Hình 1.18 Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược 38

Hình 1.19 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 38

Hình 1.20 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang 39

Hình 1.21 Nguyên lý truyền ánh sáng 42

Hình 1.22 Tia sáng đi trong lõi sợi quang 43

Hình 1.23 Quan hệ P(λ)/Pmax phụ thuộc vào λ 45

Hình 1.24 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao 48

Hình 2.1 Hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 50

Hình 2.2 Nguyên tắc ghép kênh trong SONET 51

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 54

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang 55

Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 55

Hình 2.6 Mô tả thiết bị ghép/tách hốn hợp (MUX – DEMUX) 56

Hình 2.7 Cấu tạo Coupler FBT 2x2 57

Hình 2.8 (a) Sơ đồ khối bộ circulator 3 cửa; (b) Sơ đồ khối của bộ circulator 4 cửa; (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator 59

Hình 2.9 Sơ đồ khối của bộ lọc (a) bộ lọc cố định λk (b) bộ lọc có thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng ∆λ 61

Hình 2.10 (a) các thông số đặc trưng của bộ lọc; (b) Độ gợn sóng của bộ lọc; b) Thông số cơ bản 62

Hình 2.11 Bộ tách/ghép bước sóng quang (a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX); (b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) Các thông số đặc trưng bộ MUX/DEMUX 64

Hình 2.12 Các loại cấu hình chuyển mach quang (a) chuyển mạch on/off (1x1) chuyển mạch chuyển tiếp (1x2) (không nghẽn); (c,d) chuyển mach 2x2 co nghẽn 65

Hình 3.1 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 84

Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA 85

Hình 3.3 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium 85

Hình 3.4 Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica 86

Hình 3.5 Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge 88

Hình 3.6 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm 89

Hình 3.7 Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 93

Hình 3.8 Cấu hình của một bộ khuếch đại băn L làm băng phẳng trong khoảng bước sóng 1570 đến 1610 nm vơi thiết kế hai tầng 94

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đặc tính vật liệu dùng làm lõi 23

Bảng 1.2 Các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường 24

Bảng 1.3 Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép 30

Bảng 1.4 Các đặc tính ELED tiêu biểu 31

Bảng 3.1 Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh 71

Bảng 3.2 Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) .75

Bảng 3.3 So sánh bước sóng bơm 980nm va 1480 nm 91

Bảng 3.4 Bảng so sánh EDFA hoạt động ở băng C và băng L 94

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang

1.1.1 Lịch sử phát triển

Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày càng tăng lên một

cách nhanh chóng Bên cạnh số lượng, về lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng lưu lượng chủ yếu là lưu lượng Internet, ngày nay số lượng người truy cập Internet ngày một tăng cao, vì vậy các mạng cũ không đủ dung lượng để cung cấp, đòi hỏi phải có một mạng mới có thể đáp ứng yêu cầu trao đổi dữ liệu kỹ thuật thông tin quang có thể đáp ứng vấn đề trên Quá trình phát triển của thông tin quang tương đối lâu dài, và nó có thể được thâu tóm trong các mốc thời gian như sau

- Năm 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp có các đèn báo hiệu chạy trên đó với hệ thống này thì trong vòng 15 phút thông tin đi được 200km

- Năm 1870 JONH TYNDALL nhà vật lý người anh đã chứng tỏ rằng, ánh sáng

có thể dẫn theo vòi nước uốn cong thí dụ của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, và ngày nay người ta cũng sử dụng nguyên lý này để truyền ánh sáng bên trong sợi quang

- Năm 1880 ALEXANDER GRAHAM BELL Người Mỹ giới thiệu hệ thống photophone qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng,

- Năm 1934 NORMAN R FRENCH Kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng chế

về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn chính của ông là các thanh thủy tinh

- Năm 1958 đến năm 1960 Lazer được nghiên cứu và đưa vào phát triển thành công

- Năm 1962 Photodiode được thừa nhận vấn đề còn lại phải tìm môi trường

truyền dẫn quang phù hợp

- Năm 1966 CHARLES H KAO và GEORGE A HOCKHAM, Hai kỹ sư phũng thớ nghiệm Standard Telecommunication của Anh đề xuất việc dựng thủy tinh để truyền dẫn ỏnh sỏng Nhưng do cụng nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời đú cũn hạn chế nờn suy hao của sợi quỏ lớn (α ~ 1000dB/Km)

- Năm 1970 Hóng Corning Glass Works chế tạo thành cụng sợi quang loại SI cú suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước súng 633nm

- Năm 1972 Sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

- Năm 1983 Sợi đơn mode được xuất xưởng tại Mỹ

- Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rói độ suy hao của loại sợi này chỉ khoảng 0,2dB/km ở bước súng 1550 nm

1.1.2 Cỏc thành phần cơ bản của hệ thống thụng tin quang

Hệ thống thụng tin quang, là hệ thống thụng tin sử dụng để truyền dẫn tớn hiệu

ở dạng ỏnh sỏng, trong mụi trường là chất điện mụi gọi là sợi quang Cỏc thành phần

cơ bản của hệ thống thụng tin quang như sau

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Trạm lặp

Bộ tách hoặc ghép quang

Tín hiệu

Bộ nối quang

Bộ chia quang

Sợi quang

Khuyếch đại quang

Khụi phục tớn hiệu

Tỏch súng quang

Tín hiệu

điện ra

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Các thành phần bao gồm:

- Phần phát quang: Bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang

- Phần truyền dẫn (sợi quang): Bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, bộ tách hay ghép và bộ lặp, trong đó sợi quang được bọc cáp bảo vệ là thành phần quan trọng nhất Ngoài việc bảo vệ cho sợi quang trong quá trình lắp đặt và khai thác, trong ống cáp còn có thể có dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các trạm lặp Các bộ lặp làm nhiệm vụ khôi phục và khuếch đại tín hiệu truyền dẫn trên tuyến cáp quang có khoảng cách dài

- Phần thu quang: Bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu

Để phát tín hiệu vào sợi quang, nguồn ánh sáng được sử dụng thường phải tương thích với lõi sợi quang về kích thước Nguồn quang được sử dụng là diode lazer LD và diode phát quang LED LED sử dụng phát xạ ánh sáng tự nhiên không đồng pha vì vậy hiệu quả đưa ánh sáng vào lõi sợi quang thấp Còn LD sử dụng là ánh sáng đồng pha nhân tạo có khả năng tạo ra những tia sáng mạnh hẹp có cường độ lớn vì vậy hiệu quả đưa ánh sáng vào sợi quang cao vì vậy nó sử dụng cho hệ thống thông tin có dung lượng lớn và tốc độ cao Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tín hiệu điện đầu vào Tín hiệu điện đầu vào có thể là tương tự hoặc số thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Công suất quang ra phụ thuộc vào sự biến đổi cường độ tín hiệu quang, bước sóng ánh của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Trong vùng 800 đến 900 nm, các nguồn quang thường chế tạo từ hợp kim GaAlAs Tại vùng bước sóng 1100 đến 1600

nm, các nguồn quang chế tạo từ hợp kim InGaAsP

Tín hiệu quang sau khi được điều chế ở phần phát quang sẽ được lan truyền dọc theo sợi quang Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang có thể bị suy hao và méo

dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi do các hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc

Độ dài truyền dẫn phụ thuộc mức suy hao sợi quang theo bước sóng Suy hao của sợi quang là một hàm theo bước sóng Công nghệ đầu tiên chỉ mới sử dụng băng tần

có bước sóng 800 đến 900 nm, vì tại thời điểm đó trong vùng bước

Hình 1.2 Suy hao sợi quang theo bước sóng

sóng này, sợi quang có suy hao nhỏ nhất, các nguồn ánh sáng và photodiode có thể hoạt

động tại bước sóng này Vùng bước sóng này được gọi là vùng cửa sổ thứ nhất có hệ

số tán sắc lớn Từ những năm 1980 bằng cách làm giảm sự tập trung của các ion hydroxyl và độ không tinh khiết của các ion kim loại trong nguyên liệu sợi quang Các nhà sản xuất có khả năng chế tạo sợi quang có mức suy hao thấp trong vùng bước sóng

từ 1100 đến 1600 nm Vùng bước sóng này chia thành hai vùng cửa sổ: Vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là 1300nm, và vùng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung

tâm là 1550nm Vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng từ 1280 đến 1340 nm, là vùng cửa

sổ quan trọng nhất, có hệ số suy hao:α = 0,5dB/km, hệ số tán sắc nhỏ: αTS = 3,5÷5 ps/km.nm.Vùng cử sổ thứ ba có suy hao nhỏ nhất, tại bước sóng 1550nm, hệ số suy hao: α ≈ 0,25dB/km Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo sợi đơn mode truyền

ở bước sóng 1550 nm có suy hao 0.14dB/km Nguyên liệu chính để chế tạo sợi quang

là SiO2 , nguyên liệu này rất sẵn và rẻ vì có trong cát thường Chi phí sản xuất sợi quang phát sinh chủ yếu ở khâu tạo thủy tinh tinh khiết từ nguyên liệu thô Việc lắp đặt sợi quang rất đa dạng, có thể treo, đi trong ống dẫn, thả dưới nước hay chôn trực tiếp dưới đất

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang sẽ bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu và bù lại phần tín hiệu đã bị suy hao Trạm lặp bao gồm các thiết bị thu, biến đổi quang /điện, khuếch đại điện và phát lại quang vào đường truyền tiếp theo Các trạm lặp có thể được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang.

Các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được các yêu cầu

về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàng đầu là độ nhạy quang Độ nhạy quang là công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi BER cho phép Ngoài ra bộ thu quang phải có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có độ rộng băng tần đủ để xác định dữ liệu mong muốn

Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ Hai linh kiện tách sóng quang được sử dụng chủ yếu trong tuyến truyền dẫn quang là tách sóng quang bán dẫn lọai PIN và APD Cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc

độ chuyển đổi nhanh Khi khoảng cách tryền dẫn ngắn, tốc độ thấp (mạng thuê bao, mạng nội hạt) thì đầu phát sử dụng LED đầu thu sử dụng PIN, khi khoảng cách truyền dẫn lớn tốc độ cao (mạng đường trục) thì phía phát sử dụng LD còn đầu thu sử dụng APD Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàng đầu là phải có đáp ứng cao hay độ nhạy của khoảng bước sóng phát của nguồn quang được sử dụng, có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống, và có

độ rộng băng tần đủ để xử lý tốc độ mong muốn, bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ

1.1.3 Ưu nhược điểm

a) Ưu điểm

- Do làm việc ở dài sóng ánh sáng, có dải tần rộng tốc độ rất cao, ánh sáng trắng

1011

÷ 1015

Hz, vì vậy có khả năng truyền được nhiều tín hiệu và số liệu tốc độ cao dải tần rộng

- Sợi quang có độ suy hao ánh sáng nhỏ khoảng 0,35dB/km vì vậy có khả năng

truyền tín hiệu đi xa, và giảm được số trạm lặp

- Do sợi quang là chất điện môi nên không cảm ứng với các sóng điện từ, và sóng

vô tuyến trong không khí vì vậy có chất lượng tín hiệu rất cao, cho phép đường cáp quang đi cùng với đường dây điện công nghiệp vì vậy có thể giảm được chi phí xây dựng

- Sợi quang nhỏ nhẹ thuận tiện cho việc thi công lắp đặt ở những nơi yêu cầu kích

thước nhỏ, vệ tinh, tàu, máy bay

- Vật liệu sản xuất sợi quang như: Nhựa, thuỷ tinh, silicat sẵn có và rẻ tiền nên giá

thành sợi quang rẻ (Với công nghệ sản xuất hoàn thiện)

b) Nhược điểm

- Do sợi quang nhỏ lại được làm từ thuỷ tinh, thạch anh, vì vậy phải hàn nối rất

phức tạp nên phỉ sử dụng các loại máy nối rất đắt tiền

- Do sợi quang không dẫn điện nên việc cấp nguồn cho trạm lặp rất phức tạp, vì

vậy phải sử dụng các loại cáp kim loại để cấp nguồn riêng

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Tùy theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệu tương tự

hay tín hiệu số mà ta phân loại thành:

- Hệ thống thông tin quang tương tự

- Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin dường như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còn sử dụng mạng thông tin quang tương tự, ví dụ hệ thống truyền hình cáp

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu có thể phân thành hai loại hệ thống truyền dẫn quang

- Hệ thống thông tin quang kết hơp (coherent): Hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điện đưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầu thu thực hiện thu đổi dải tần Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộn quang, trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến

bộ tách sóng quang để lấy tín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi

- Hệ thống điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM/DD): Ở đầu phát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồn quang phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyề đi

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

- Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống có tốc độ truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung kế giữa các tổng đài trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

- Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến 140Mb/s

- Hệ thống có dung lượng truyền dẫn cực lớn tốc độ truyền dẫn lớn hơn 140Mb/s

sử dụng cho các hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi

1.2.4 Phân loại theo phương thức ghép kênh

Dựa vào cách ghép kênh trong thông tin quang để phân loại hệ thống thông tin quang ta có các loại sau:

- Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo thời gian

Đây là hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo thời gian TDM để tạo luồng tín hiệu tổng hợp đưa vào thiết bị thu phát quang Khi tăng tốc độ truyền dẫn thì độ rộng các xung phát đi càng hẹp lại, đòi hỏi độ rộng băng tần truyền dẫn tăng lên rất

lớn Hiện nay các hệ thống thông tin quang đang sử dụng rộng rãi phương thức ghép kênh theo thời gian

- Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex)

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang

Kỹ thuật ghép - tách bước sóng quang là việc sử dụng thiết bị ghép kênh quang theo bước sóng để ghép các luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau ở đầu phát đưa vào một sợi quang, truyền dẫn đến đầu thu và tại đầu thu sử dụng thiết bị tách kênh quang theo bước sóng để tách riêng từng luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau như ở đầu phát

1.3 Các thành phần của hệ thống thông tin quang

1.3.1 Sợi quang và cáp quang

1.3.1.1 Cấu tạo, phân loại sợi quang

a, Cấu tạo sợi quang

Các loại sợi có lõi và lớp bọc đều là thuỷ tinh, các sợi này có suy hao nhỏ cho nên chúng đóng vai trò quan trọng và phù hợp với các tuyến thông tin quang cự ly xa và tốc

độ cao Đối với cự ly ngắn (cỡ vài trăm mét), các loại sợi lõi thuỷ tinh lớp bọc là chất dẻo được sử dụng với mục đích giảm chi phí, vì cự ly này cho phép sử dụng loại sợi có suy hao lớn Sợi chất dẻo, đó là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và lớp bọc đều là chất dẻo Loại sợi này chỉ đáp ứng cự ly truyền dẫn không quá 100 mét vì có suy hao rất lớn Sợi này đã từng được dùng trong quá khứ với số lượng rất ít

* Lớp vỏ sơ cấp (primary coating)

Để tránh cọ trầy xước lớp bọc, sợi quang thường được bao bọc thêm một lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt, chống sự xâm nhập của hơi nước, mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cáp sau này Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp Lớp vỏ sơ cấp được bọc quanh lớp bọc ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp vỏ bọc sơ cấp lớn hơn chiết suất của lớp bọc và lớn hơn chiết suất lõi

Thí dụ:

- Chiết suất của lõi sợi: n1 = 1,48

- Chiết suất của lớp bọc: n2 = 1,46

- Chiết suất của lớp vỏ bọc sơ cấp: n3 = 1,52

Lớp vỏ bọc sơ cấp có nhuộm màu để phân biệt thứ tự sợi Thông thường đường kính lớp vỏ sơ cấp là 250µm, nếu sợi quang có đường kính lớp bọc 125µm.

* Lớp vỏ thứ cấp (secondary coating)

Lớp vỏ thứ cấp (thường được gọi là lớp vỏ sợi quang) có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ Lớp vỏ sợi quang có 2 dạng chính:

- Dạng bọc lỏng

- Dạng bọc chặt

+ Dạng bọc lỏng

Các sợi quang sau khi đã được bọc sơ cấp lại được đặt trong các ống hoặc các rãnh chữ

V có trên lõi chất dẻo (lõi có rãnh) Các ống và các rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi quang để các sợi quang có thể hoàn toàn nằm tự do trong nó Kỹ thuật bọc lỏng sợi cho phép bảo vệ sợi tránh được các ứng suất bên trong Mỗi ống hoặc rãnh có thể là rỗng hoặc được độn chất nhớt lỏng Jelly Ở trường hợp sợi quang nằm trong rãnh của lõi cáp, kích thước của rãnh cũng phụ thuộc vào số sợi có ở trong nó Trong cấu trúc bọc lỏng, các sợi quang nằm trong ống hay trong rãnh đều được bảo vệ rất tốt Ống bọc lỏng thường được chế tạo từ polyester và polyamide, có nhuộm màu để phân biệt thứ

tự

+ Dạng bọc chặt

Sợi quang sau khi đã bọc vỏ sơ cấp sẽ được bọc thêm lớp chất dẻo ôm sát lớp vỏ sơ cấp (gọi là dạng bọc chặt) Vỏ bọc chặt, vỏ bọc thứ cấp sẽ làm tăng lực cơ học của sợi

và chống lại các ứng suất bên trong Ở môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo

ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự co quanh trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên

b, Phân loại sợi quang

Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới

tiếp giáp lõi và lớp bọc gọi là sợi có chỉ số chiết suất giảm dần GI (Graded Index) Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có sợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơn mode

SM (Single mode) Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó, còn sợi đơn mode chỉ cho phép 1 mode truyền trong nó

* Căn cứ vào số tia sáng truyền trong lõi sợi quang mỗi tia sáng truyền đi được một quãng đường, quỹ đạo riêng biệt gọi là Mode

+ Sợi quang đa Mode MM (multi mode):Trong lõi sợi quang có nhiều tia sáng được đồng thời truyền dẫn

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125 nm) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50 nm

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125 nm

- Độ chênh lệch chiết suất: Δ = 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n = 1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

- Sợi quang đơn mode SM (signe Mode)

Một tia sáng truyền duy nhất trong lõi, là tia truyền thẳng trùng với trục của lõiKhi giảm kích thước lõi để sợi chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ có một mode sóng truyền nên

Hình 1.4 Sợi quang đa mode MM

độ tán sắc của nhiều đường truyền bằng không, và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc.

Hình1.5 Sợi đơn mode

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Đường kính lõi: d = 2a =9µm ÷ 10µm

Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

Độ chênh lệch chiết suất: ∆ = 0,003 = 0,3%

Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng: λ = 1300 nm, độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng song

vì kích thước của sợi đơn mode quá nhỏ, nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

* Căn cứ vào sự thay đổi chiết suất trong lõi

- Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (Step - Index): Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

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

Sợi GI có chiết suất phân bố lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đường truyền của tia sáng trong sợi

GI cung không bằng nhau, nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn, nhưng vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại Các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc nhỏ hơn tia truyền theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác theo sự phân bố chiết suất đường parabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian của các tia truyền này là bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI cũng nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 1.6 Sợi SI và Sợi GI

1.3.1.2 Cáp quang, phân loại cáp quang

Cũng như cáp kim loại ,cáp quang cũng có những yêu cầu ,đặc điểm cần phải đáp ứng trước hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm, nhiệt độ hoặc các lực cơ học tác động

a) Cấu tạo của cáp quang gồm

- Lõi cáp: Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp Lõi thường bao quanh phần tử gia cường của cáp Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất dẻo

Bảng 1.1 Các đặc tính vật liệu dùng làm lõi

(KG/mm 2 )

Độ giảm dài phá huỷ cáp (90)

Module young (KG/mm 2 10 2 )

- Thành phần gia cường là các phần tử tạo cho cáp có lực cơ học cần thiết để chịu được căng và co ,đặc biệt là bảo đảm tính ổn định cho cáp.

Các vật liệu có Modul Young cao thường được sử dụng làm thành phần gia cường Ngoài ra,yêu cầu vật liệu gia cường là phải nhẹ ,có độ mềm dẻo Đây là các đặc tính quan trọng trong quá trình lắp đặt kéo cáp trong cống Thành phần gia cường là kim loại hay phi kim Nó có thể được đặt ở tâm cáp hoặc phân bố ở các lớp ngoài đồng tâm với cáp

Bảng 1.2 Các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường

Vật liệu Trọng

lượng riêng

Modul young (KG/mm 2 )

ứngsuất thu được (KG/mm 2 )

Độ giãn dài thu được (90)

ứng suất phávỡ (KG/mm 2 )

Độ giãn dài gãy đứt (90)

2,48

1,441,44

0,2 - 1

1 - 1,5

3

21,2

50 - 300

150 - 200

300

300300

20 - 251,5

2,4

24

-Vỏ cáp có chức năng cơ bản là bảo vệ cáp và có tính chất quyết định tuổi thọ của cáp Vỏ cáp có thể được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị các tác động của ứng xuất cơ học và môi trường bên ngoài Vật liệu chế tạo vỏ ngoài cáp thường là PVC polyetylen và Polyurthane Vỏ bọc,kim loại của cáp thường là các băng thép nhẵn hoặc các sợi xếp thành hình vỏ bọc

1 Phần tử gia cường

2 Lõi cáp

3 Vỏ bọc PVC

Hình 1.7 Cấu tạo chung của cáp quang

b) Phân loại cáp quang

* Phân loại theo cấu trúc cáp

- Cáp trung kế: là cáp nối giữa các tổng đài với nhau

- Cáp đường dài: là cáp nối giữa các tỉnh, các quốc gia với nhau

* Phân loại theo cách lắp đặt

- Cáp treo: Là cáp được treo trên đường cột Riêng cáp tự treo có thêm dây treo nên có tiết diện hình số 8 như cáp đồng Loại cáp tự treo thường ít sợi, để không tăng tải trọng cáp thì xung quanh sợi cáp không cần gia cường Đặc biệt người ta tránh sử dụng kim loại cho cáp vừa giảm nhẹ trọng lượng cáp vừa tránh ảnh hưởng của sét, của điện lực

- Cáp ngầm (cáp treo trong cống): Cáp kéo trong cống phải chịu được lực kéo và xoắn,

có trọng lực nhẹ để dễ lắp đặt và phải rất mềm dẻo để vượt qua các chướng ngại trong khi kéo cáp Loại này cũng phải chịu được ẩm và nước vì trong cống cáp và bể cáp thường hay đọng nước Chính vì vậy trong cấu trúc của cáp thường có chất độn Jelly

1

1

1

22

3

33

2

2

và thành phần chống ẩm bằng kim loại Trong trường hợp cáp không được bơm chất độn Jelly thì cần phải thực hiện bơm hơi cho cáp

- Cáp chôn trực tiếp: Cáp chôn trực tiếp thường phải có lớp vỏ bọc kim loại tốt để tránh

sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác động khác trong đất Vỏ bọc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép Vỏ bọc ngoài lớp thép này là vỏ chất dẻo

- Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy: Loại cáp này thường có số sợi quang ít, các đặc tính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác

và hàn nối, cáp cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt Vì cáp loại này thường bám sát tường nhà và thiết bị cho nên phải đảm bảo không bắt lửa, không phát ra khí độc trong phòng Cấu trúc loại cáp này thường ở dạng bọc chặt để đảm bảo kích thước nhỏ và chắc Cáp quang 1 sợi dùng làm cáp nhảy để đấu nối trong các trạm đầu cuối

- Cáp ngậm nước và cáp quang biển: Cáp ngậm nước được sử dụng để thả qua sông hoặc qua đồng lầy Vì vậy loại cáp này cần đáp ứng một số yêu cầu sau:

+ Tính chống ẩm và chống thấm nước tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn.+ Có khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp

+ Có khả năng chịu được lực kéo trong quá trình lắp đặt hoặc sửa chữa

+ Có khả năng hàn nối sửa chữa dễ dàng

+ Có cấu trúc tương thích với cáp đặt trên đất liền

+ Ruột cáp thường được bao bọc trong ống nhôm hoặc ống đồng ngăn ẩm cho nên cần chú ý đến ảnh hưởng của hydro

c) Các yêu cầu kỹ thuật đối với cáp quang

- Phải đảm bảo đặc tính cơ học và đặc tính truyền dẫn ổn định trong suốt quá trình lắp đặt và khai thác, có khả năng chịu được các tác động của môi trường, cho phép khả năng vận chuyển, lắp đặt dễ dàng và hàn nối sửa chữa thuận tiện

- Phải dễ nhận dạng, dễ phân biệt được với cáp kim loại Sợi quang phải nhuộm màu để dể phân biệt, các màu nhuộm phải rõ ràng và bền màu trong suốt quá trình khai thác cáp

- Thành phần gia cường phải đảm bảo giữ được cho cáp không bị kéo căng quá, phải có độ mềm dẻo cần thiết để đảm bảo tuổi thọ cáp, dễ sản xuất thi công, lắp đặt Nếu thành phần gia cường bằng kim loại phải đảm bảo độ ăn mòn không vượt quá giới hạn cho phép.

- Chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo hệ số giản nỡ nhỏ, không đông cứng ở nhiệt độ thấp, không cản trở sự di chuyển của sợi quang trong cáp Chất làm đầy không được độc hại, không gây ảnh hưởng tới các thành phần khác trong cáp, không làm phai màu sợi

- Vỏ cáp phải bảo vệ tốt được lõi cáp không bị những tác động học và những ảnh hưởng của môi trường bên ngoài trong quá trình lắp đặt và khai thác Đối với cáp treo, vỏ cáp còn phải đảm bảo không suy giảm chất lượng do bức xạ tia tử ngoại Các yêu cầu chỉ tiêu về độ bền cơ học của cáp là rất quan trọng Để đảm bảo các đặc tính

cơ học tốt cáp quang phải đạt các yêu cầu sau :

Độ tăng suy hao sau khi thử lực căng không vượt quá 0,1 dB

Sau khi thử va đập bằng cách dùng quả nặng 1kg đập 10 lần từ độ cao 1m, cáp phải không gãy đứt và tăng suy hao không vượt quá 0,1dB

Cáp cũng phải đảm bảo yêu cầu không gãy đứt và tăng suy hao không vượt quá 0,1dB sau khi thử độ mềm dẻo bằng các phương pháp uốn cong 5 chu kỳ với đường kính uốn cong bằng 20 lần đường kính cáp

Cáp cũng phải chịu được nhiệt độ trong phạm vi từ -300C ÷ 600C trong 48 giờ Với dải nhiệt độ này độ tăng suy hao không vượt quá 0.02dB/Km Đồng thời chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo không bị rớt khi đưa đoạn cáp thử 0,3m vào buồng nhiệt 600C

±50C trong 24 giờ Cáp cũng phải không thấm nước khi mẫu thử cáp dài 3m với độ cao cột nước 1m trong 24giờ ở nhiệt độ 200C ±50C

Ngoài ra cáp quang phải chịu được điện áp phóng điện một chiều tối thiểu là 20KV và 10KV điện áp xoay chiều 50 ÷ 60 HZ trong 5 phút

1.3.2 Các thiết bị phát quang

- Diode phát quang LED

Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) là một loại nguồn phát quang cho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa Mode Có hai loại cấu trúc

LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp

dị thể kép ( không thuần nhất) Xét cấu trúc dị thể kép loại qua khảo sát và kiểm tra đã đem lại sự ứng dụng nhiều nhất

Hình 1.8 Cấu trúc của LED

Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm trước khi nghiên cứu Laser LED có hai loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang là cấu trúc phát mặt và cấu trúc phát cạnh Đối với phát mặt thì mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫn quang Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50 µm và độ dày khoảng 2,5 µm Mẫu phái chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùm phái khoảng 1200

LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp Cả hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chỉ số chiết suất của các vật liệu bao quanh Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn nóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi Để tương quan với lõi sợi dẫn

-+

Vùng tích cưc

Vùng dẫn nóng

quang có đường kính nhỏ từ 50 ÷ 100 µm, các dải tiếp xúc với LED phát cạnh phải rộng từ 50 ÷ 70 µm Độ dài của các vùng tích cực thường là 100 ÷ 150 µm.

Hình 1.9 Cấu trúc LED phát mặt

HÌnh 1.10 Cấu trúc LED phát cạnh

- Vật liệu của nguồn phát quang: các vật liệu bán dẫn được dùng cho lớp tích cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dải cấm trực tiếp Trong bán dẫn có dải cấm trực tiếp, các điện tử và lỗ trống có thể tái kết hợp trực

Si02 Si02

Phiến tỏa nhiệt

liệu bao phủKim loại hóa

Chất nền

Lớp cấu trúc

dị thể kép

Sợi quang

Giếng khắc hình tròn

Các lớp

hạn chế

Giải tiếp xúcMiền hoạt tínhKim loạiChất nền

Tỏa nhiệt

Lớp dẫn ánh

sáng

Lớp Si02 cách điệnCác lớp dị thể kép

ánh sáng ra kết hợp

tiếp qua dải cấm mà không cần qua phần tử thứ ba để bảo tồn động lượng Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có sự tái kết hợp đủ lớn để đưa ra được mức phát quang thoả đáng Trong thực tế không tồn tại bán dẫn đơn phân tử cho các dải cấm trực tiếp, mà vật liệu dải cấm trực tiếp chỉ có thể tạo ra từ các hỗn hợp ghép phân tử.

Bảng 1.3 Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép

2,24 eV2,09 eV1,42 eV1,33 eV0,34 eV

0,55 µm0,59 µm0,87 µm0,93 µm3,6 µmVật liệu 3

và 4 thành

phần

AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen)InGaAsP(Inđi-Gali-Asen)

1,42 ÷ 1,6 eV0,74 ÷ 1,13 eV

6,77 ÷ 0,87 µm1,1 ÷ 1,67 µm

- Đặc tính ứng dụng của các diode phát quang chủ yếu dùng cho các sợi dẫn quang đơn mode Có hai dạng cấu trúc của LED sẵn có là phát mặt và phát cạnh Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều này giúp cho chi phí về giá thành thấp Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảo đảm độ tin cậy để duy trì chất lượng thông tin tốt Các mức công suất thường ghép với ELED nằm trong khoảng từ 2

÷ 10 µm ở điều kiện nhiệt độ phòng Tốc độ điều biến phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn phát LED và điều kiện điểu khiển Các thiết bị ở thị trường hiện nay đạt tốc độ

200 µbit/s còn thiết bị thực nghiệm cho ELED thì cao hơn đạt 565 µbit/s đến 1,2 Gbit/s Loại LED phát mặt sử dụng với sợi đơn mode có ưu điểm đó là liên kết đơn giản nhưng công suất phát ra tương đối thấp, khoảng 1,5 µW khi làm việc ở tốc độ 565

µbit/s và dải phổ rộng

- Thực tế sử dụng LED với sợi dẫn quang đơn Mode đã thu được kết quả khá khả quan Thực nghiệm độ dài tuyến đạt tới 9,6 Km ở tốc độ 2 Gbit/s và 100 Km với

độ 16 µbit/s Độ dài tuyến bị giới hạn vì quý công suất và tán sắc gây ra do độ rộng phổ của LED Tuy nhiên, các tuyến thông tin trên thực tế thì sự sai số về công nghệ chế tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ đối với bước sóng trung tâm của LED thì không thể

bỏ qua được Ngoài ra độ rộng phổ cho tán sắc sợi, sự thay đổi suy hao cũng ảnh hưởng đến tuyến thông tin

Bảng 1.4 Các đặc tính ELED tiêu biểu

- Công suất ra đối với sợi đơn Mode SMF

(250

C, dòng điều khiển 150 mA)

- Thời gian lên/xuống

- Độ rộng phổ nửa công suất (250

)

- Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra

- Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo t0

- Độ giãn phổ

2 ÷ 10 µW

3 ns max

80 ÷100 nm1,2% / 0

C0,5 ÷ 0,8 nm/ 0

C0,4 nm/ 0

C

- Diode Laser có nhiều dạng với đủ mọi kích thước từ nhỏ như hạt thóc đến rất lớn Chúng có ở dạng khí, lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn Đối với các hệ thống thông tin quang chủ yếu dùng Laser bán dẫn và thường là Diode Laser (LD) Về cơ bản nguyên

lý hoạt động của các loại Laser là như nhau thông qua ba quá trình mấu chốt, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Với năng lượng trạng thái nếu là E1

và E2 là năng lượng trạng thái kích thích theo định luật Plank thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có liên quan đến quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng : hv12 = E2 - E1

(Hấp thụ)

mW nhưng lại rất không ổn định và có tính Astimatic cao.

+ Các cấu trúc tiếp theo có tính ổn định hơn Các loại này cấu tạo theo hướng bên Sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của vật liệu khác nhau trong cấu trúc này sẽ điều khiển các Mode bên trong Laser Nên các thiết bị này gọi là các Laser điều khiển chiết suất (IGL) Nếu như Laser điều khiển chiết suất riêng chỉ cho mode ngang cơ bản hoặc mode dọc cơ bản thì được gọi là laser đơn mode

Vùng chiết

suất cao

Vùng chiết suất cao

Suy hao

Vùng tích cực Dải kim

Hình1 12 Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên

- Các mode và điều kiện ngưỡng của điot laser Sự bức xạ quang trong hốc cộng hưởng của Diode laser đã tạo nên một mẫu vạch trường điện và từ được gọi là các mode của hốc cộng hưởng Các mode này có thể chia ra hai tập hợp mode độc lập là các mode điện ngang (TE) và các mode trường ngang (TM)

- Các Diode laser đơn mode: Để xây dựng hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền xa, ta cần sử dụng các loại Diode laser có độ rộng phổ hẹp, đó chính là các laser đơn mode Các lazer này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn

- Điều biến tần số cao có hai phương pháp nhằm thay đổi công suất quang đầu

ra là điều biến xung dùng cho các hệ thống thông tin truyền dẫn tín hiệu analog Một trong những ưu điểm có ý nghĩa nhất của laser bán dẫn là nó có thể điều biến trực tiếp nhờ thay đổi dòng cấp cho laser Diode laser có thời gian đáp ứng nhanh cho nên cho phép thực hiện điều biến ở tần số rất cao Tần số điều biên bị giới hạn bởi hai cơ chế Trước hết đó là giới hạn điện tử do các phần tử tạp ký sinh Nó được nói tới cho những điện tử nối tiếp và điện dung song song có trong dây dẫn kim loại Cơ chế thứ hai cơ bản hơn có liên quan đến đặc tính động của laser làm nảy sinh tần số cộng hưởng trong dải GHZ Tần số này tỷ lệ với căn bậc hai công suất đầu ra

- Các ảnh hưởng của nhiệt độ chủ yếu là sự phụ thuộc vào nhiệt của dòng ngưỡng Icb (T) Dòng ngưỡng này sẽ tăng theo nhiệt độ trong tất cả các loại laser bán dẫn do nhiều các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ rắc rối gây ra

1.3.3 Các thiết bị thu quang

- Photodiode PIN: cấu trúc cơ bản gồm các vùng P và n cách nhau bằng một lớp

tự dẫn i rất mỏng Để thiết bị hoạt động, thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng

bên trong rút hết các hạt mang Khi đó sự tập trung hạt mang n và P là nhỏ không đáng

kể so với sự tập trung tạp chất trong vùng này Khi có ánh sáng đi vào photodiode quá trình xảy ra là nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn trong photodiode, thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ làm phát ra các cặp điện tử lỗ trống mà đôi khi được gọi là hạt mang quang Thông thường,

bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu phát ra tại vùng trôi, nơi mà hầu hết ánh sáng đến bị hấp thụ sự có mặt trường điện cao trong vùng trôi làm cho các hạt mang tách nhau ra và được chu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp hạt mang được phát ra Luồng dòng này được gọi là dòng photon

Hình 1.13 Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN

Tách nóng Thiên áp

vùng cấm P

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Tín hiệu ra

Điện trở tải

hv photon

Điện tử

hv ≥ EF

Lỗ trống Vùng nghèo

Vì các hạt mang tích điện cháy qua vật liệu, cho nên một số các cặp điện tử - lỗ trống sẽ tải kết hợp và rồi biến mất Bình thường, các hạt mang tích điện di chuyển với

cự ly Ln đối với điện tử là Lp đối với lỗ trống Cự ly này được gọi "Độ dài khuếch tán" Thời gian cần thiết để cho một điện tử hoặc lỗ trống tái hợp được gọi là "tuổi thọ hạt mang" và được mô tả bằng các đại lượng τn và τp tương ứng Quan hệ giữa tuổi thọ và

độ dài khuếch tán như sau:

Ln = (Dnτn) 1/2

và Lp = (Dpτp)1/2

Với Dn là hệ số khuếch tán điện tử

Dp là hệ số khuếch tán lỗ trống

được đo bằng centimet vuông trên giây

Bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo hàm mũ sau

bước sóng giới hạn mà thôi Đặc tính của photodiode thường được đặc trưng bởi đáp ứng (hệ số chuyển đổi) R Nó liên quan đến hệ suất lượng tử.

Tham số này rất hay sử dụng vì nó đặc trưng cho dòng photon phát ra trên một đơn vị công suất quang Đáp ứng photođiôt PIN thường là hàm số của bước sóng như hình trên Các giá trị đó là 0,6 µA/µW đối với Si tại bước sóng 900 nm; 0,45 µA/µW đối với Ge tại bước sóng 1,3 µm Trong hầu hết các photođiot, hiệu suất lượng tử không phụ thuộc vào mức công suất đổ vào bộ tách sóng tại năng lượng photon đã cho Như vậy đáp ứng là hàm tuyến tính của công suất quang Có nghĩa là, dòng photon Ip

tỷ lệ trực tiếp với công suất quang P0 tới bộ tách sóng, và như vậy đáp ứng R là hằng

số tại bước sóng đã cho (giá trị hv) Tuy vậy, hiệu suất lượng tử không là hằng số ở tất

cả các bước sóng vì nó thay đổi theo năng lượng photon Vậy đáp ứng là một hàm các bước sóng và của vật liệu làm photodiot (vật liệu khác nhau có năng lượng giải cấm khác nhau) Đối với vật liệu đã cho, bước sóng của photon tới càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ để kích thích điện tử từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, lúc này đáp ứng dóc nhanh hơn

- Photodiode thác: ưu điểm đối với các tín hiệu nhỏ, photođiot thác có đặc tính tốt hơn, sau khi biến đổi các photon thành các điện tử, nó khuếch đại ngay dòng photo

Vùng nghèo

Trường điện

Vùng thácTrường tối thiểu cần thiết để

tác động ion hóa

Đáp ứng A

(W)

InGaAs Si

Ge

Si

1,00,80,6

ngay trên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp theo và điều này làm tăng mức tính hiệu dẫn đến độ nhạy thu tăng lên đáng kể Về nguyên lý, cả hai quá trình hấp thụ và khuếch đại đều xảy ra ở trong cùng một vùng trôi, ở các cấu trúc Pn hoặc PIN đơn giản Cấu trúc thông dụng của photodiode là:

Hình 1.16 Cấu trúc diode photodiode

Gồm có vật liệu P điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền P+

Sau đó khuếch tán hoặc cấy lớp n+

(loại n pha tạp nặng) Hai vùng cách nhau bởi một vùng trường điện thấp là nơi các photon được hấp thụ và các hạt mang quang trôi theo chiều phân cực, và một vùng trường điện cao là nơi các hạt mang được gia tốc và chịu quá trình nhân Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là B0 hoặc photpho Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+

ipn+ -

Lớp i (hay II) cơ bản là lớp vật liệu tự dẫn có pha tạp một chút p Khi có một thiên áp ngược nhỏ, hầu hết điện thế rơi vào tiếp giáp pn+

, vùng trôi sẽ mở rộng ra cùng với sự tăng của thiên áp cho đến khi đạt được đến một giá trị điện áp mà tại đó trường điện tiếp giáp pn+