Nghiên cứu kỹ thuật wdm trong hệ thống thông tin quang luận văn tốt nghiệp đại học

Đặc biệt là sự ra đời của kỹ thuật WDM, đây là phương thức ghép kênh mà các tín hiệu quang được phân chia thành các bước sóng và sau đó được ghépvào trên cùng một sợi quang và được truyề

Trờng đại học vinh Khoa điện tử – viễn thông viễn thông

- -đồ án tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu

Bằng việc đi tắt đón đầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới,công nghệ thông tin, điện tử viễn thông là những hướng phát triển tiên phonggóp phần đưa đất nước ta hướng tới một xã hội thông tin Nghĩa vụ và tráchnhiệm của một sinh viên sắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội, vàthách thức đang mở ra ở phía trước

Với nhận thức ấy, quyển đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật WDM

trong hệ thống thông tin quang” là báo cáo tổng kết một phần kiến thức

Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà em được đào tạosau gần 5 năm học tập tại trường Đại học

Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng vềchuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sựdìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện tử- viễn thông, các thầy

cô giáo tại Đại Học Vinh, nhất là công lao hướng dẫn của ThS Nguyễn Phúc

Em mong rằng sẽ nhận được nhiều đóng góp của các thầy cô và bạn bècho quyển đồ án, để các nghiên cứu sâu hơn sau này đạt kết quả tốt hơn nữa.Vàtiếp tục nhận được sự dìu dắt và giúp đỡ quý báu đó trong quá trình công tác vàhọc tập sau khi tốt nghiệp

Sinh viên: Nguyễn Thị Hoa

Tóm tắt đồ án

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêucầu về thông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạngmới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhu cầu bứcthiết đó thì mạng thông tin quang đã được ra đời và đưa vào sử dụng mạnh mẽtrong 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 thếgiới cũng như tại Việt Nam

Đặc biệt là sự ra đời của kỹ thuật WDM, đây là phương thức ghép kênh

mà các tín hiệu quang được phân chia thành các bước sóng và sau đó được ghépvào 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 Vì vậy, tác giả đã

chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật WDM trong hệ thống thông tin quang”

làm đồ án tốt nghiệp

Đề tài gồm ba chương:

Chương 1 Tổng quan về về hệ thống thông tin quang

Trong chương này tác giả đã giới thiệu lịch sử phát triển của hệ thốngthông tin quang, cấu trúc cũng như ưu, nhược ddiemr của hệ thống, các tham số,thành phần cơ bản của nó

Chương 2 Các kỹ thuật ghép kênh trong thông tin quang

Trong chương này tác giả đã giới thiệu các kỹ thuật ghép kênh trongthông tin quang, kỹ thuật khuếch đại quang đang sử dụng

Chương 3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng

Ở chương này tác giả tìm hiểu được nguyên lý ghép kênh theo bước sóng,các thiết bị được sử dụng trong WDM, các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm trongWDM

Mục lục

Trang

Lời nói đầu

Tóm tắt đồ án

Danh sách hình vẽ, bảng biểu

Danh sách các từ viết tắt

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang 3

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Khái niệm 4

1.1.3 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 4

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 6

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 6

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu 6

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 7

1.2.4 Phân loại theo phương thức ghép kênh 7

1.3 Lí thuyết chung về sợi quang 7

1.3.1 Khái niệm và cơ sở quang học 7

1.3.2 Phân loại và cấu trúc sợi quang 9

1.3.3 Các đặc tính của sợi quang

14 1.3.4 Các yêu cầu kỹ thuật đối với sợi quang 16

1.4 Thiết bị phát quang 17

17

21

1.5 Các thiết bị thu quang 23

1.5.1 Photodiode PIN

24 1.5.2.Photodiode thác APD 26

1.6 Các trạm lặp và các trạm xen/rẽ kênh 28

1.6.1 Các trạm lặp

29 1.6.2 Các trạm xen/rẽ kênh

29 1.7 Các tham số của hệ thống thông tin quang 29

1.8 Kết luận chương 32

Chương 2 Các kỹ thật ghép kênh trong thông tin quang

33

2.1 Các kỹ thuật ghép kênh quang 33

2.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian OTDM

33 2.1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số tín hiệu quang OFDM

34 2.1.3 Kỹ thuật ghép kênh theo sóng mang thứ cấp SCM

35 2.1.4 Kỹ thuật ghép kênh theo mã CDM 36

2.1.5 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM

37

2.2 Các phương pháp khuếch đại quang 53

2.2.1 Khuếch đại tín hiệu trên miền tín hiệu điện (O/E-E/O)

53

2.2.2 Khuếch đại tín hiệu trên miền tín hiệu quang

54

2.2.3 So sánh khuếch đại điện và khuếch đại quang

57

2.3 Kỹ thuật bù tán sắc 582.4 Kết luận chương 58Chương 3 Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM59

3.1 Giới thiệu 593.2 Các công nghệ trong mạng thông tin quang 60

3.2.1 Mạng quang đồng bộ/phân cấp số đồng bộ

60

61

3.3 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 62

62

62

3.4 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống WDM 64

3.4.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)

64

66

68

71

73

75

3.5 Những vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với hệ thống thông tin quang WDM 75

3.5.1 Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh

76

3.5.2 Vấn đề ổn định nước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát

76

3.5.3 Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang

77

3.5.4 Suy hao- quỹ công suất của hệ thống WDM

77 3.5.5 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

79 3.6 Ưu điểm và nhuợc điểm của công nghệ WDM 79

3.7 Kết luận chương 81

Kết luận 82

Tài liệu tham khảo 84

Danh mục hình vẽ, bảng biểu Hình vẽ

Hình 1.1 Biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang.5

Hình 1.2 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang 8

Hình 1.3 Sợi SI và sợi GI 10

Hình 1.4 Sợi quang đa mode MM 11

Hình1.5 Sợi đơn mode SM 12

Hình 1.6 Cấu trúc sợi quang 13

Hình 1.7 Cấu trúc của LED 18

Hình 1.8 Cấu trúc LED phát mặt 19

Hình 1.9 Cấu trúc LED phát cạnh 19

Hình1.10 Diode lazer 21

Hình1.11 Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên 22

Hình 1.12 Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN 24

Hình 1.13 Hệ số hấp thụ theo bước sóng 25

Hình 1.14 Cấu trúc diode photodiode 26

Hình 1 15 Sơ đồ sơ lược mạch điện của bộ thu quang 27

Hình 1.16 Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược 28 Hình 1.17 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 28

Hình 2.1 Hệ thống thông tin quang sử dụng OTDM ghép 4 kênh quang 33

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang theo tần số 34

Hình 2.3 Hệ thống SCM nhiều kênh 35

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi 38

Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 38

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 40

Hình 2.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA 41

Hình 2.8 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium 41 Hình 2.9 Giản đồ năng lượng của ion Er 3+ trong sợi silica 43

Hình 2.10 Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và độ lợi (gain spectrum) củaEDFA có lõi pha Ge 44

Hình 2.11 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm 45

Hình 2.12 Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm 49

Hình 2.13 Trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi 51

Hình 2.14 Sơ đồ khối cấu trúc bộ lặp quang trên miền tín hiệu điện 53

Hình 3.1 Nguyên tắc ghép kênh trong SONET 60

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 63

Hình 3.3 Mô tả thiết bị ghép/tách hốn hợp (MUX – DEMUX) 64

Hình 3.4 Cấu tạo Coupler FBT 2x2 65

Hình 3.5 (a) Sơ đồ khối bộ circulator 3 cửa (b) Sơ đồ khối của bộ circulator 4 cửa (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator 67

Hình 3.6 Sơ đồ khối của bộ lọc (a) bộ lọc cố định λ k (b) bộ lọc có thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng ∆λλ 69

Hình 3.7 (a) các thông số đặc trưng của bộ lọc (b) Độ gợn sóng của bộ lọc 70

Hình 3.8 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) (c)Các thông số đặc trưng bộ MUX/DEMUX 72

Hình 3.9 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 74

Bảng biểu

Bảng 1.1 Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép .20 Bảng 1.2 Các đặc tính ELED tiêu biểu 21 Bảng 2.1 Bảng so sánh EDFA hoạt động ở băng C và băng L 50

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATM ASynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đbộAWG Arrayed – Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận

Muliplexer

Ghép kênh theo bước sóng quang

dày đặc

Amplifier

Bộ khuếch đại quang sợi trộn

Erbium

MZF Mach Zehnder Filter Bộ lọc Mach – Zehnder Filter

Interferometer

Bộ giao thoa Mach – Zehnder

Interferometer

Multiplexer

Bộ xen/rớt kênh quang

OFDM Optical Frequency Devision

Multiplexer

Ghép kênh quang theo tần số

SCM Secondary Carrier Multiplexer Ghép kênh theo sóng mang thứ cấp

Amplifier

Bộ khuếch đại laser bán dẫn

Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SWP Spatial Walkoff Polarizer Bộ tách/ghép trạng thái phân cực

SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ bị kích thích Raman

Multiplexer

Ghép kênh theo bước sóng

Mở đầu

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học, nhữngnghiên cứu và phát minh mới được công bố, kéo theo đó là những công nghệmới được ra đời Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và của khoa học kỹ thuậtđòi hỏi con người phải liên tục đổi mới về công nghệ cũng như phương thứchoạt động, Ngành công nghệ thông tin cũng như điện tử viễn thông cũng khôngnằm 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 nhữngmạng mới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhucầu đó, song nếu sự ra đời của các mạng mới mà không có sự thay đổi về băngthông, đường truyền thì cũng sẽ không đáp ứng được về dung lượng truyền dẫncho 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 trongnhững năm gần đây Mạng thông tin quang ra đời đã giải quyết được vấn đề vềbăng thông đường truyền cho các nghành thông tin truyền thông ở trên thế giớicũng như tại Việt Nam

Với băng thông lớn dung lượng dồi dào, thì mạng thông tin quang đã đápứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội Song để khai thác hết tiềmnăng viễn thông này đòi hỏi phải có những công nghệ và phương thức mới đưavào sử dụng để có được hiệu quả cao nhất Có rất nhiều công nghệ ghép kênh đãđược sử dụng như: ghép kênh theo thời gian OTDM, ghép kênh theo tần sốOFDM, song vẫn chưa thể đáp ứng cho nhu cầu về truyền dẫn, chi phí lắp đặtcòn quá cao mà hiệu quả lại khôn cao không tận dụng hết dải thông của nguồnánh sáng Với sự ra đời của phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM thìphần nào đã giải quyết được vấn đề này, đây là phương thức ghép kênh mà cáctín 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 đãphần nào đáp ứng được băng thông truyền dẫn tín hiệu Vì vậy, tác giả đã chọn

đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật WDM trong hệ thống thông tin quang”

Đề tài của gồm ba chương:

Chương 1 Tổng quan về về hệ thống thông tin quang

Trong chương này tác giả đã giới thiệu lịch sử phát triển của hệ thốngthông tin quang, cấu trúc cũng như ưu, nhược điểm của hệ thống, các tham số,thành phần cơ bản của nó

Chương 2 Các kỹ thuật ghép kênh trong thông tin quang

Trong chương này tác giả đã giới thiệu các kỹ thuật ghép kênh trongthông tin quang, kỹ thuật khuếch đại quang đang sử dụng

Chuơng 3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng

Ở chương này tác giả tìm hiểu được nguyên lý ghép kênh theo bước sóng,các thiết bị được sử dụng trong WDM, các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm trongWDM

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang [1]

1.1.1 Lịch sử phát triển

Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày càng tăng lênmột cách nhanh chóng Bên cạnh số lượng, về lưu lượng truyền thông trênmạng cũng thay đổi Dạng lưu lượng chủ yếu là lưu lượng Internet, ngày nay sốlượng người truy cập Internet ngày một tăng cao, vì vậy các mạng cũ không đủdung lượng để cung cấp, đòi hỏi phải có một mạng mới có thể đáp ứng yêu cầutrao đổi dữ liệu Kỹ thuật thông tin quang có thể đáp ứng vấn đề trên Quá trìnhphát triển của thông tin quang tương đối lâu dài, và nó có thể được thâu tómtrong các mốc thời gian như sau:

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

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

- Năm 1962 Photodiode được thừa nhận vấn đề còn lại phải tìm môitrường truyền dẫn quang phù hợp.

- Năm 1966 CHARLES H KAO và GEORGE A HOCKHAM, Hai kỹ

sư phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh đề xuất việc dùngthủy tinh để truyền dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinhthời đó còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000dB/Km)

- Năm 1970 Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangloại SI có suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 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 rãi độ suy hao của loại sợinày chỉ khoảng 0,2dB/km ở bước sóng 1550 nm

1.1.2 Khái niệm

- Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều

đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng đượctruyền qua sợi quang Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thông tinban đầu

- Thông tin quang có cấu trúc hệ thống cũng tương tự như các hệ thốngthông tin khác Tín hiệu được truyền từ phía phát sang phía thu thông qua môitrường truyền dẫn Môi trường truyền dẫn của thông tin quang là sợi dẫn quang,

nó có chức năng truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu từ phía phát đến phía thu

1.1.3 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

- Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các

mạch điều khiển liên kết với nhau

- Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các mạch điện điều khiển

liên kết với nhau, các lớp vỏ xung quang để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi

trường bên ngoài

- Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch

khuếch đại, tái tạo hợp thành

Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ

ghép nối quang (Connector), các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp Ở

các tuyến thông tin quang hiện đại còn có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù

tán sắc, các trạm xen rẽ kênh, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn

chỉnh

Nguồn phát quang

Các thiết bị khác

Bộ thu quang

Trạm lặp

Bộ phát quang Tín hiệu

điện vào

Mạch điều khiển

Bộ nối quang

Sợi dẫn quang

Mối hàn sợi

Bộ chia quang

Phát quang Mạch điện

Thu quang

Khuếch đại

t/h

Đầu thu quang

Tín hiệu điện ra

Hình vẽ 1.1 Biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang

Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

- Mạng đường trục xuyên quốc gia

- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực,…

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu, mạng LAN

- Mạng truyền hình

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 hiệutương 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 hiệnnay sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫncòn sử dụng mạng thông tin quang tương tự, ví dụ hệ thống truyền hình cáp

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

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

- Hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent): Hệ thống này sử dụngphương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điệnđưa 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 phátcác tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồnquang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quangnhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền 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 cótốc độ truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung kế giữacác tổng đài trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

- Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến140Mb/s

- Hệ thống có dung lượng truyền dẫn cực lớn tốc độ truyền dẫn lớn hơn140Mb/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 thốngthông 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 gianTDM để tạo luồng tín hiệu tổng hợp đưa vào thiết bị thu phát quang Khi tăngtốc độ truyền dẫn thì độ rộng các xung phát đi càng hẹp lại, đòi hỏi độ rộngbăng tần truyền dẫn tăng lên rất lớn Hiện nay các hệ thống thông tin quangđang 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 cácluồng 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 kênhquang theo bước sóng để ghép các luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau ởđầu phát đưa vào một sợi quang, truyền dẫn đến đầu thu và tại đầu thu sử dụngthiết bị tách kênh quang theo bước sóng để tách riêng từng luồng ánh sáng cóbước sóng khác nhau như ở đầu phát

1.3 Lí thuyết chung về sợi quang [6 tr.6-44]

1.3.1 Khái niệm và cơ sở quang học

* Khái niệm

- Sợi quang là sợi mảnh, trong suốt dẫn ánh sáng, bao gồm phần lõi choánh sáng truyền qua và phần vỏ bao quanh

- Lõi có chiết suất lớn hơn vỏ 0.2% hoặc 0.3%

- Sợi quang có đường kính rất nhỏ, nhẹ, đặc tính truyền dẫn cao

* Cơ sở quang học

Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại vớibước sóng từ 800 – 1600nm Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng là 850 nm,

1300 nm, 1550 nm, ở những bước sóng này thì suy hao là nhỏ nhất

- Chiết suất của môi trường

C n

Hình 1.2 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

- Mối quan hệ giữa tia phản xạ và tia khúc xạ với tia tới:

+ Cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt phân cách tại điểm tới)

Dựa vào công thức Snell có thể tính được góc tới hạn:

- Quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm

một lõi (core) bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng

thủy tinh có chết suất n2 với n1 n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản

xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ bọc Do đó

ánh sáng có thể truyền được trong sợi quang có cự li dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

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

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

1.3.2 Phân loại và cấu trúc sợi quang

a Phân loại sợi quang

- Phân loại theo điện môi chế tạo

Trên cơ sở vật liệu điện môi, sợi quang được chia làm 3 loại:

+ Sợi quang thạch anh: nó không chỉ chứa thạch anh nguyên chất màcòn có các tạp chất thêm vào như: B, F, Ge… nhằm làm thay đổi chiết suấtkhúc xạ của sợi quang, truyền dẫn ánh sáng tốt

+ Sợi quang thủy tinh đa vật liệu: sợi quang này, ngoài thủy tinh còn cóthành phần hỗn hợp chủ yếu là Na…

+ Sợi quang nhựa: Sợi quang này được chế tạo từ nhựa vật liệu hữu cơgồm nhựa Silicon và nhựa Acrylic thường được sử dụng Độ suy hao và khảnăng truyền dẫn thấp

- Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ

+ Sợi quang chiết suất bậc: loại chỉ có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi

sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (SI-step-index).

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏbọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quangphóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

+ Sợi đa mode chỉ số chiết suất giảm dần: Loại sợi này chỉ có chỉ sốchiết suất giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có

chỉ số chiết suất giảm dần Gradien-(GI- Gradien-index).

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thayđổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đườngtruyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc cũngthay đổi theo

Hình 1.3 Sợi SI và sợi GI

- Phân loại theo mode lan truyền

Trên cơ sở mode lan truyền, sợi quang chia làm 2 nhóm:

+ 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m) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50 m

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125 m

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

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n 1 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 trụccủa lõi Khi giảm kích thước lõi để sợi chỉ có một mode sóng cơ bản truyềnđược trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ có một mode sóngtruyền nên độ tán sắc của nhiều đường truyền bằng không, và sợi đơn mode códạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Hình1.5 Sợi đơn mode SM

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%

Hình 1.4 Sợi quang đa mode MM

- Chiết suất lõi: n 1 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 moderất rộng song vì kích thước của sợi đơn mode quá nhỏ, nên đòi hỏi kích thướccủa các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơnmode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đápứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

b 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 hai lớp trên bằng thủy tinh Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lớp lõi và lớp bọc

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa:

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

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

i) Lớp phủ

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước

- Tránh sự trầy xước gây nên những vết nứt

- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Lớp bọc được bọc ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ta phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ Lớp phủ có thể được nhuộm màu hoặc có thể có thêm vòng đánh dấu, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ Độ

đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất lượng của sợi quang.

1.3.3 Các đặc tính của sợi quang

i) Đặc tính suy hao tín hiệu

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm giảm công suất trung bình đưa vàomáy thu Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống thông tin quang bị hạn chế bởitiêu hao của sợi quang Khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang thì công suấtquang bị suy giảm dần theo cự ly với qui luật hàm mũ Biểu thức tổng quát củahàm số truyền công suất có dạng:

10

.

10

L vao

ra P P





 (1.5)

trong đó :

L là chiều dài sợi quang (Km )

Pvao là công suất đầu vào sợi quang (mW)

Pra là công suất đầu ra sợi quang (mW)

Như vậy ta có thể xác định hệ số tiêu hao riêng  chính là tiêu hao trênmột Km sợi quang

ii) Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Suy hao sợi quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố, do nhiều nguyên nhângây ra trong quá trình truyền dẫn:

- Suy hao do tán xạ

+ Tán xạ Rayleigh

Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp nhữngchỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ Hiện tượng tán xạ ánh sángxảy ra khi sợi quang chế tạo có khuyết tật nhỏ như bọt khí, những vùng bấtđồng nhất nhỏ, những chỗ không tinh khiết các chỗ rạn nứt nhỏ… ánh sángtruyền trong sợi bị tán xạ ra các hướng và gây ra tiêu hao tiêu hao tán xạ nàygọi là tán xạ Rayleigh, nó tỉ lệ nghịch với 4

 Tán xạ Rayleigh là nhỏ khi>1

m



+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lớp lõi và lớp bọc không hoàn hảo

Khi tia sáng tryền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lớp lõi và lớp bọctia sáng sẽ bị tán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các gócphản xạ khác nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ralớp vỏ bọc và bị suy hao dần

- Suy hao do hấp thụ: có các nguyên nhân hấp thụ hồng ngoại, hấp thụ

- Các tiêu hao phụ khác: tiêu hao do uốn cong, vi cong, hàn nối sợiquang, ghép nối…

Trên cơ sở các dạng tiêu hao có thể tổng hợp tất cả các loại tiêu haotrong sợi quang và biểu diễn nó tương quan theo bước sóng ta nhận được phổtiêu hao theo bước sóng.

Vùng 1: Tiêu hao chủ yếu do tán xạ một phần do hấp thụ, có = 0.8- 0.9

 m,  = 2 - 3 dB/km, được sử dụng trong các mạng LAN, các đường thuêbao số dịch vụ băng rộng

Vùng 2: Tiêu hao chủ yếu do hấp thụ, có = 1.2-1.35m,  =0.3 0.5dB/km, được sử dụng trong các đường trung kế

-Vùng 3: Có = 1.5-1.7m,  =0.15- 0.25dB/km, được sử dụng trongcác mạng lõi tốc độ truyền lớn

iii) Đặc tính tán sắc

- Tán sắc bước sóng

+ Trong môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ biến đổi theo bước sóng làm cho tốc độ truyền dẫn biến đổi theo Sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ vào bước sóng gọi là tán sắc bước sóng

+ Trong lĩnh vực thông tin quang, tán sắc vật liệu và tán sắc cấu trúc được gọi chung là tán sắc bước sóng

+ Độ lớn của tán sắc như sau:

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

Trong truyền dẫn quang, tán sắc bước sóng là rất nhỏ

+ Mode bậc cao nhất (N-1) truyền gần góc tới hạn c với quãng đường

dài nhất =sin

c

L

 + Tán sắc mode đo bằng hiệu thời gian truyền giữa mode bậc cao nhất

và mode bậc thấp nhất

1.3.4 Các yêu cầu kỹ thuật đối với sợi quang

* Đối với sợi quang

+ Sợi quang phải dài, mềm, dẻo

+ Không bị giãn nở và lão háo chậm

+ Về đặc tính truyền dẫn ánh sáng vật liệu phải thật tinh khiết

+ Các sợi quang khi chế tạo hoàn chỉnh phải được phủ hai lớp bảo vệ.+ Sợi quang phải bền vững, không bị đứt gãy với tác động của lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong

* Yêu cầu về hàn nối sợi quang

- Trong sợi quang việc đấu nối đòi hỏi mặt của lõi hai sợi quang phải sát

vào nhau và song song với nhau để đảm bảo mối hàn tốt, không gây ra suy hao

Vì vậy việc đấu nối chúng với nhau đòi hỏi kỹ thuật cao

- Cách hàn nối sợi quang:

+ Hàn nối vĩnh viễn bằng cách hàn nóng chảy sử dụng phóng hồ quang.+ Hàn nối sử dụng bộ nối ghép cho phép tháo lắp dễ dàng

* Gia cường cơ học cho sợi quang

- Phải tăng cường tính chịu lực cho sợi quang

- Môi trường sản xuất phải sạch và bọc cơ học ngay khi kéo

- Diode phát quang LED (Light-emitting diode).

- Diode laser bán dẫn LD (Laser diode)

Ưu điểm nguồn phát quang: Kích cỡ nhỏ, gọn, độ dẫn cao, dải bướcsóng phù hợp, vùng bức xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi, có khả năngđiều chế trực tiếp tại tần số cao, đảm bảo độ tin cậy

1.4.1 Diode phát quang LED

Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) là một loại nguồn phát quangcho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa Mode Có hailoại cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấutrúc tiếp giáp dị thể kép (không thuần nhất) Xét cấu trúc dị thể kép loại quakhảo sát và kiểm tra đã đem lại sự ứng dụng nhiều nhất

Hình 1.7 Cấu trúc của LED

Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên củavùng bán dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm trước khinghiên 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 thìmặt 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 m và độ dàykhoảng 2,5 m LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực cóvai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp.

Hình 1.8 Cấu trúc LED phát mặt

Si02 Si02

Phiến tỏa nhiệt

liệu bao phủ Kim loại hóa Chất nền

Lớp cấu trúc

dị thể kép

Sợi quang

Giếng khắc hình tròn

Các lớp

hạn chế

Giải tiếp xúc Miền hoạt tính Kim loại Chất nền

Tỏa nhiệt

Lớp dẫn ánh

sáng

Lớp Si02 cách điện Các lớp dị thể kép

HÌnh 1.9 Cấu trúc LED phát cạnh

- Vật liệu của nguồn phát quang: các vật liệu bán dẫn được dùng cho lớptích cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dảicấm trực tiếp Trong bán dẫn có dải cấm trực tiếp, các điện tử và lỗ trống có thểtái kết hợp trực tiếp qua dải cấm mà không cần qua phần tử thứ ba để bảo tồnđộng lượng Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có sự tái kết hợp đủ lớn đểđưa ra được mức phát quang thoả đáng Trong thực tế không tồn tại bán dẫnđơn phân tử cho các dải cấm trực tiếp, mà vật liệu dải cấm trực tiếp chỉ có thểtạo ra từ các hỗn hợp ghép phân tử

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

0,55 m0,59 m0,87 m0,93 m3,6 mVật liệu 3 AlGaAs (Nhôm-Gali- 1,42  1,6 eV 6,77  0,87

và 4 thành

phần

Asen)InGaAsP(Inđi-Gali-Asen)

0,74  1,13 eV m

1,1  1,67 m

- Đặc tính ứng dụng của các diode phát quang chủ yếu dùng cho các sợidẫn quang đơn mode Có hai dạng cấu trúc của LED sẵn có là phát mặt và phátcạnh Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều này giúp chochi phí về giá thành thấp Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảo đảm độ tincậy để duy trì chất lượng thông tin tốt Các mức công suất thường ghép vớiELED nằm trong khoảng từ 2  10 m ở điều kiện nhiệt độ phòng Loại LEDphát mặt sử dụng với sợi đơn mode có ưu điểm đó là liên kết đơn giản nhưngcông suất phát ra tương đối thấp, khoảng 1,5 W khi làm việc ở tốc độ 565

- Công suất ra đối với sợi đơn Mode SMF

(250C, 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 W

3 ns max

80 100 nm1,2% / 0C0,5  0,8 nm/

0C0,4 nm/ 0C