Luận văn nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang luận văn tốt nghiệp đại học

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

LỜI NÓI 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 thôngtin quang đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội như

Truyền thông hội nghị, quản lý thông tin cá nhân, lập biểu, nhóm làm việc,fax màu,

+ Truyền thông: báo, tạp chí, quảng cáo, …

+ Mua sắm: thương mại điện tử, tiền ví điện tử, giao dịch tự động, đấugiá,…

+ Giải trí: tin tức, thể thao, trò chơi, video, âm nhạc, …

+ Giáo dục: thư viện trực tuyến, máy tìm kiếm, học từ xa, …

+ Sức khỏe: chữa bệnh, theo dõi, chuẩn đoán từ xa, …

+ Tự động hóa: đo đạc từ xa, …

+ Truy nhập thông tin cá nhân: thời gian biểu, đặt vé từ xa, cảnh báo vịtrí,…

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

+ Các dịch vụ đánh số cá nhân toàn cầu, điện thoại vệ tinh, …

Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi phải có mạng lưới viễn thôngtốc độ cao, dung lượng lớn Với yêu cầu đặt ra như vậy, em đã nghiên cứu tìm

hiểu và nhận đề tài với tên gọi “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang “ làm đồ án tốt nghiệp đại học cho mình.

Trong quá trình tìm hiểu được sự chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình của thầygiáo hướng dẫn làm đồ án nên em đã hoàn thành được bản đồ án này trongkhoảng thời gian quy định, song là một sinh viên đang ngồi trên ghế nhà trường,

và kiến thức đang còn nhiều hạn chế nên sự tìm hiểu và nghiên cứu vẫn còn gặpnhiều khó khăn, chưa thể đi sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm về nguyên lý cấutạo cũng như hoạt động của các thiêt bị truyền dẫn quang Vẫn đang còn cần phảitìm 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 em cũngxin các thầy, cô giáo cho em những nhận xét về cuốn đồ án này để em có thể hoànthiện nó hơn

Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Nguyễn Phúc Ngọc 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, Côtrong và ngoài khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được họctập và nghiên cứu tại trường để em có được một vốn hiểu biết mới

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngay ,tháng 5, năm 2011

Sinh viên

Lê Đăng Tuấn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Bằng những kiến thức được học trên ghế nhà trường và qua thời ganthực tập tìm hiểu về mạng thông tin quang cùng với xu thế phát triển củanghành viễn thông Bên cạnh đó còn có sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn

đồ án và sự giúp đỡ của bạn bè cũng như tìm hiểu qua tài liệu Em đã chọn chomình đè tài “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang” để làm đồ

án tốt nghiệp đại học của mình

Đề tài của em gồm có bốn chương :

Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Tác giả đã giới thiệu về lịch sử phát triển của thông tin quang, cấu trúccủa một hệ thống thông tin quang, đặc tính của thông tin quang, phân loại hệthống thông tin quang, sau cung là kết luận em đã rút ra được từ chương này

Chương II: Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Tác giả đi sâu vào khai thác chức năng cũng như cấu tạo của các phần

tử trong cấu trúc một hệ thống thông tin quang

Chương III: Nguyên lý ghép kênh quang

Là các phương pháp ghép kênh quang, và phương thức truyền dẫnquang

Chương IV: Tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất vàthời gian lên

Là phần thiết kế tuyến quang theo quỹ thời gian lên và công suất

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

MỤC LỤC Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

Tóm tắt đồ án 3

Danh mục các hình vẽ 6

Danh mục các bảng 8

Danh mục các từ viết tắt 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 13

1.1 Lịch sử phát triển 13

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 14

1.3 Các đặc tính của thông tin quang 17

1.4 Phân loai hệ thống thông tin quang 17

1.4.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 18

1.4.2 Pheo phương thức điều biến và giải điều biến tín hiệu quang 18

1.4.3 Theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 18

1.4.4 Phân loại theo phương thức ghép kênh 19

1.5 kết luận chương 19

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 20

2.1 Các thành phần của hệ thống thông tin quang 20

2.1.1 Sợi quang, phân loại sợi quang 20

2.1.2 Cáp quang, phân loại cáp quang 25

2.1.3 Các thiết bị phát quang 29

2.1.4 Các thiết bị thu quang 36

2.1.5 Các trạm lặp 42

2.1.6 Các trạm xen rẽ kênh 43

2.2 Các tham số của hệ thống thông tin quang 43

2.3 Truyền ánh sáng trong sợi quang 45

2.3.1 Đặc điểm của ánh sáng 45

2.3.2 Nguyên lý truyền ánh sáng trong lõi sợi quang 47

2.3.3 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang 48

2.4 kết luận chương 53

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH VÀ TRUYỀN DẪN QUANG 54

3.1 Giới thiệu 54

3.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 55

3.2.1 Nguyên lý ghép kênh 55

3.2.2 Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM 56

3.2.3 Giải ghép và xen rẽ trong hệ thống OTDM 59

3.2.4 Đồng bộ trong hệ thống OTDM 63

3.2.5 Đặc tính truyền dẫn của OTDM 64

3.3 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 65

3.3.1 Định nghĩa 65

3.3.2 Nguyên lý cơ bản của WDM 66

3.3.3 Các linh kiện dùng trong hệ thống WDM 70

3.3.3.1 Bộ ghép/tách tín hiệu 70

3.3.4.2 Bộ Isolator/circulator 72

3.3.4.3 Bộ lọc quang 75

3.3.4.4 Bộ ghép tách kênh bước sóng 77

3.3.4.5 Bộ chuyển mạch quang 78

3.3.4.6 Bộ chuyển đổi bước sóng 80

3.4 Kết luận chương 80

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 81

4.1 Giới thiệu chương 81

4.2 Các khái niệm 81

4.3 Quỹ công suất 83

4.4 Quỹ thời gian lên 84

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

4.5 Nhiễu trong hệ thống thông tin quang 86

4.5.1 Nhiễu lượng tử 86

4.5.2 Nhiễu nhiệt 87

4.6 Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 87

4.6.1 Đối với photodiode PIN 87

4.6.2 Đối với photodiode APD 88

4.7 Các giá trị của các thành phần 90

4.8 Bài toán tính toán và thiết kế theo quỹ công suất và thời gian lên 91

4.8.1 Chọn bước sóng làm việc của tuyến 92

4.8.2 Chọn loại sợi quang 92

4.8.3 Thiết bị thu quang 92

4.9 Tính toán tổn hao trên đường truyền 94

4.10 Độ nhạy của máy thu trong trường hợp sử dụng PIN 94

4.11 Độ nhạy máy thu trong trường hợp sử dụng APD 95

4.12 Tính toán thời gian lên 96

4.13 Kết luận chương 97

KẾT LUẬN CHUNG 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 15

Hình 2.1 Cấu tạo sợi quang 20

Hình 2.2 Sợi quang đa mode MM 23

Hình 2.3 Sợi quang đơn mode 24

Hình 2.4 Sợi SI và Sợi GI 25

Hình 2.5 Cấu tạo chung của cáp quang 26

Hình 2.6 Cấu trúc của LED 30

Hình 2.7 Cấu trúc LED phát mặt 31

Hình 2.8 Cấu trúc LED phát cạnh 31

Hình 2.9 Diode lazer 34

Hình 2.10 Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên 35

Hình 2.11 Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN 37

Hình 2.12 Hệ số hấp thụ theo bước sóng 38

Hình 2.13 Đáp ứng Photodiode PIN 39

Hình 2.14 Cấu trúc diode photodiode 40

Hình 2.15 Sơ đồ sơ lược mạch điện của bộ thu quang 41

Hình 2.16 Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược 41

Hình 2.17 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 42

Hình 2.18 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang 43

Hình 2.19 Nguyên lý truyền ánh sáng 46

Hình 2.20 Tia sáng đi trong lõi sợi quang 48

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Hình 2.21 Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào  50

Hình 2.22 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao .53

Hình 3.1 Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang 56

Hình 3.2 Sơ đố sử dụng hai phương pháp ở phía phát xử lý NRZ cho OTDM 58

Hình 3.3 Nguyên lý của bộ giải ghép thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang 61

Hình 3.4 Sơ đồ đồng bộ lựa chọn kênh quang bằng gương vòng phi tuyến để rẽ và xen kênh với các bộ coupler 3dB 62

Hình 3.5: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock 63

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 66

Hình 3.7 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang 68

Hình 3.8 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 68

Hình 3.9 Mô tả thiết bị ghép/tách hốn hợp (MUX – DEMUX) 70

Hình 3.10 Cấu tạo Coupler FBT 2 x 2 71

Hình 3.11 (a) Sơ đồ khối bộ circulator 3 cửa (b) Sơ đồ khối của bộ circulator 4 cửa (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator 72

Hình 3.12 Sơ đồ khối của bộ lọc (a) bộ lọc cố định λk (b) bộ lọc có thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng ∆λλ 74

Hình 3.13 (a) các thông số đặc trưng của bộ lọc (b) Độ gợn sóng của bộ lọc 75 Hình 3.14 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 78

Hình 3.15 Các loại cấu hình chuyển mach quang (a) chuyển mạch on/off (1x1) chuyển mạch chuyển tiếp (1x2) (không nghẽn); (c,d) chuyển mạch 2x2 có nghẽn 79

Hình 4.1 Sơ đồ suy hao trên đường truyền dẫn quang 81

Hình 4.2 Đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp 84

Hình 4.3 Tỷ số bit BER 93

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép 30

Bảng 2.2 Các đặc tính ELED tiêu biểu 33

Bảng 3.1 Bảng tóm tắt các phương pháp giải ghép kênh OTDM 60

Bảng 4.1 Thiết bị phát quang 90

Bảng 4.2 Cáp sợi quang 90

Bảng 4.3 Thiết bị thu 90

Bảng 4.4 Suy hao do hàn nối và bộ nối 91

Bảng 4.5 Tính toán tổn hao trên đường truyền 94

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh

AOTF Acousto- Optic Turnable Fitter Bộ lọc quang âm đ/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

DC directonal Coupler Coupler định hướng

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

EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium

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

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

IL Insersion Loss Suy hao xen

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

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 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

SPM Self Phase Modulation Tự điều pha

SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ bị kích thích RamanTDM Time Division Multiplexer Ghép kênh theo thời gian

TE Terminal Equipement Thiết bị đầu cuối

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

Chương I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

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 trênmạng 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 cũkhông đủ dung lượng để cung cấp, đòi hỏi phải có một mạng mới có thể đápứng yêu cầu trao đổi dữ liệu kỹ thuật thông tin quang có thể đáp ứng vấn đềtrên Quá trình phát triển của thông tin quang tương đối lâu dài, và nó có thểđược thâu tóm trong 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 thôngtin 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 dụngnguyên lý phản xạ toàn phần, và ngày nay người ta cũng sử dụng nguyên lýnày để truyền ánh sáng bên trong sợi quang

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

- Năm 1934 NORMAN R.FRENCH Kỹ sư người Mỹ nhận được bằngsáng chế về hệ thống thông tin quang.Phương tiện truyền dẫn chính của ông làcác thanh thủy tinh

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

- Năm 1958 đến 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

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang, là hệ thống thông tin sử dụng để truyền dẫntín hiệu ở dạng ánh sáng, trong môi trường là chất điện môi gọi là sợi quang.Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang như sau

Các thành phần bao gồm:

Phần phát quang: Bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phátquang Để phát tín hiệu vào sợi quang, nguồn ánh sáng được sử dụng thườngphải tương thích với lõi sợi quang về kích thước Nguồn quang được sử dụng làdiode lazer LD và diode phát quang LED LED sử dụng phát xạ ánh sáng tựnhiên 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 sángmạnh hẹp có cường độ lớn vì vậy hiệu quả đưa ánh sáng vào sợi quang cao vìvậy nó sử dụng cho hệ thống thông tin có dung lượng lớn và tốc độ cao Tín hiệuquang phát ra từ LD hoặc LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tínhiệu điện đầu vào Tín hiệu điện đầu vào có thể là tương tự hoặc số thiết bị phátquang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứngbằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Công suất quang ra phụ

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Nguån ph¸t quang

Tín hiệu

điện vào Bộ phát quang

Bộ nối quang Bộ chia quang

Sợi quang

Tách sóng

thuộc vào sự biến đổi cường độ tín hiệu quang, bước sóng ánh của nguồn phátquang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Trong vùng 800đến 900 nm, các nguồn quang thường chế tạo từ hợp kim GaAlAs Tại vùngbước sóng 1100 đến 1600 nm, các nguồn quang chế tạo từ hợp kim InGaAsP.

Phần truyền dẫn: 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 ốngcáp còn có thể có dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các trạm lặp Các bộ lặp làmnhiệm vụ khôi phục và khuếch đại tín hiệu truyền dẫn trên tuyến cáp quang cókhoảng cách dài Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang sẽ bị suygiảm 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 đổiquang /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

Phần thu quang: Bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện vàmạch khôi phục tín hiệu 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 táchsóng quang phải đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệuquang 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 côngsuất 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 táchsóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ Hai linh kiện táchsóng quang được sử dụng chủ yếu trong tuyến truyền dẫn quang là tách sóngquang bán dẫn lọai PIN và APD Cả hai loại này đều có hiệu suất làm việccao 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 dụngPIN, 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 ứngđược các yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm vàméo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàngđầu là phải có đáp ứng cao hay độ nhạy của khoảng bước sóng phát củanguồn quang được sử dụng, có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống, và có độrộng 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

1.3 Các đặc tính của thông tin quang

Với giá trị suy hao này đã gần đạt được giá trị suy hao 0.14dB/km củasợi đơn mode, từ đó đã cho ta thấy hệ thống thông tin quang có các đặc điểmnổi bật hơn hệ thống cáp kim loại là:

 Suy hao truyền dẫn rất nhỏ

1.4 Phân loại hệ thống thông tin quang

1.4.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

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 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

1.4.2 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 đầuthu có thể phân thành hai loại hệ thống truyền dẫn quang

- Hệ thống thông tin quang kết hơp (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 đầuthu 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 củanguồn quang phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệuquang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyề đi

1.4.3 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 kếgiữa các 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.

1.4.4 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 gian TDM đểtạo luồng tín hiệu tổng hợp đưa vào thiết bị thu phát quang Khi tăng tốc độtruyền dẫn thì độ rộng các xung phát đi càng hẹp lại, đòi hỏi độ rộng băng tầntruyền dẫn tăng lên rất lớn Hiện nay các hệ thống thông tin quang đang sửdụng 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 quangWDM thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trêncùng 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 sửdụng thiết bị tách kênh quang theo bước sóng để tách riêng từng luồng ánhsáng có bước sóng khác nhau như ở đầu phát

1.5 kết luận chương

Qua chương 1: tổng quan về hệ thống thông tin quang Ta thấy hệthông thông tin quang ngày càng được sử dụng rộng rãi với những ưu thế nổibật mà các hệ thống khác không có được về đặc tính kỹ thuật và hiệu quả kinh

tế Tuy nhiên, để đánh giá sự thành công của hệ thống thông tin quang takhông thể không hiểu rõ các linh kiện thiết bị của một tuyến thông tin quang ,vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể ở chương sau

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Chương II

CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

2.1 Các thành phần của hệ thống thông tin quang

2.1.1 Sợi quang, phân loại sợi quang

a, Cấu tạo sợi quang

Hình 2.1 Cấu tạo sợi quang

Thành phần chính của sợi quang là lõi (core) và lớp bọc (cladding).Ngoài ra còn có 2 lớp: lớp vỏ sơ cấp (primary coating) và lớp vỏ thứ cấp(secondary coating)

* Lõi và lớp bọc

Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm có một lõi hình trụ làm bằng vậtliệu thuỷ tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là lớp bọc hình ốngđồng tâm với lõi và có chiết suất n2 < n1 Lõi được dùng để dẫn áng sáng vàlớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi

và lớp bọc Vật liệu dùng để chế tạo lõi và lớp bọc thông dụng nhất là thuỷtinh Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các sợi quang chính là thuỷ tinh oxit.Trong đó dioxit silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để chế tạo ra sợi Các

loại sợi có lõi và lớp bọc đều là thuỷ tinh, các sợi này có suy hao nhỏ cho nênchúng 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 thuỷtinh lớp bọc là chất dẻo được sử dụng với mục đích giảm chi phí, vì cự ly nàycho phép sử dụng loại sợi có suy hao lớn Sợi chất dẻo, đó là loại sợi chiếtsuất 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 từngđược dùng trong quá khứ với số lượng rất ít

* Lớp vỏ sơ cấp

Để tránh cọ trầy xước lớp bọc, sợi quang thường được bao bọc thêmmột lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vàosợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc

cọ xát 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 suấtcủa 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 Thôngthường đường kính lớp vỏ sơ cấp là 250µm, nếu sợi quang có đường kính lớpbọc 125µm

* Lớp vỏ thứ cấp

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

+ Dạng bọc lỏng

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Các sợi quang sau khi đã được bọc sơ cấp lại được đặt trong các ốnghoặc các rãnh chữ V có trên lõi chất dẻo (lõi có rãnh) Các ống và các rãnh cókích thước lớn hơn nhiều so với sợi quang để các sợi quang có thể hoàn toànnằm tự do trong nó Kỹ thuật bọc lỏng sợi cho phép bảo vệ sợi tránh được cácứng suất bên trong Mỗi ống hoặc rãnh có thể là rỗng hoặc được độn chấtnhớt lỏng Jelly Ở trường hợp sợi quang nằm trong rãnh của lõi cáp, kíchthước của rãnh cũng phụ thuộc vào số sợi có ở trong nó Trong cấu trúc bọclỏng, 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 độthấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự co quanh trục và viuốn 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 chiếtsuất của lõi sợi Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi cóchỉ số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõigiảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và lớp bọc gọi là sợi có chỉ số chiếtsuất giảm dần GI (Graded Index) Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì cósợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơn mode SM (Single mode) Sợi đamode cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó, còn sợi đơn mode chỉ chophép 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 nhiềutia 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 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

có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Hình 2.2 Sợi quang đa mode

Hình 2.3 Sợi quang 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: ∆λ = 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 đơnmode rất rộng song vì kích thước của sợi đơn mode quá nhỏ, nên đòi hỏikích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hànnối 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 cócấu 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 vớigóc 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 mộtcách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đường truyền củatia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau, nhưng vận tốc truyền cũng thayđổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn, nhưng vận tốctruyền lớn hơn và ngược lại Các tia truyền gần trục có đường truyền ngắnhơn nhưng lại có vận tốc nhỏ hơn tia truyền theo trục có đường truyền ngắnnhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác theo sự phân bốchiết suất đường parabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin vàthời gian của các tia truyền này là bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI cũng nhỏhơn nhiều so với sợi SI

Hình 2.4 Sợi SI và Sợi GI 2.1.2 Cáp quang, phân loại cáp quang

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

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 baoquanh phần tử gia cường của cáp Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọcthường được làm bằng chất dẻo

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

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

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

3

2

2

- 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 thêmdây treo nên có tiết diện hình số 8 như cáp đồng Loại cáp tự treo thường ítsợi, 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 lượngcáp vừa tránh ảnh hưởng của sét, của điện lực

- Cáp ngầm (cáp treo trong cống): Cáp kéo trong cống phải chịu đượclực kéo và xoắn, có trọng lực nhẹ để dễ lắp đặt và phải rất mềm dẻo để vượtqua các chướng ngại trong khi kéo cáp Loại này cũng phải chịu được ẩm vànước vì trong cống cáp và bể cáp thường hay đọng nước Chính vì vậy trongcấu trúc của cáp thường có chất độn Jelly và thành phần chống ẩm bằng kim

loại Trong trường hợp cáp không được bơm chất độn Jelly thì cần phải thựchiện bơm hơi cho cáp

- Cáp chôn trực tiếp: Cáp chôn trực tiếp thường phải có lớp vỏ bọc kimloại tốt để tránh sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác động khác trong đất Vỏbọc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép Vỏ bọc ngoài lớp thépnày 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 uốncong, 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 bảokhông bắt lửa, không phát ra khí độc trong phòng Cấu trúc loại cáp nàythường ở dạng bọc chặt để đảm bảo kích thước nhỏ và chắc Cáp quang 1 sợidùng làm cáp nhảy để đấu nối trong các trạm đầu cuối

- Cáp ngập nước và cáp quang biển: Cáp ngập nước được sử dụng đểthả qua sông hoặc qua đồng lầy Vì vậy loại cáp này cần đáp ứng một số yêucầu sau:

+ Tính chống ẩm và 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 trongsuốt quá trình lắp đặt và khai thác, có khả năng chịu được các tác động củamôi trường, cho phép khả năng vận chuyển, lắp đặt dễ dàng và hàn nối sửachữa thuận tiện

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

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

- Thành phần gia cường phải đảm bảo giữ được cho cáp không bị kéocăng quá, phải có độ mềm dẻo cần thiết để đảm bảo tuổi thọ cáp, dễ sản xuấtthi công, lắp đặt Nếu thành phần gia cường bằng kim loại phải đảm bảo độ ănmòn không vượt quá giới hạn cho phép

- Chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo hệ số giản nỡ nhỏ, không đôngcứng 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 phầnkhác trong cáp, không làm phai màu sợi

- Vỏ cáp phải bảo vệ tốt được lõi cáp không bị những tác động học vànhững ảnh hưởng của môi trường bên ngoài trong quá trình lắp đặt và khaithác 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 rấtquan trọng Để đảm bảo các đặc tính cơ học tốt cáp quang phải đạt các yêucầu 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 1 kg đập 10 lần từ độ cao

1 m, 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 khôngvượt quá 0,1 dB sau khi thử độ mềm dẻo bằng các phương pháp uốn cong 5chu kỳ với đường kính uốn cong bằng 20 lần đường kính cáp

Cáp cũng phải chịu được nhiệt độ trong phạm vi từ -300C ÷ 600Ctrong 48 giờ Với dải nhiệt độ này độ tăng suy hao không vượt quá0.02dB/Km Đồng thời chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo không bị rớt khiđưa đoạn cáp thử 0,3m vào buồng nhiệt 600C ± 50C trong 24 giờ Cáp cũngphải không thấm nước khi mẫu thử cáp dài 3m với độ cao cột nước 1m trong24giờ ở nhiệt độ 200C ± 50C Ngoài ra cáp quang phải chịu được điện áp

phóng điện một chiều tối thiểu là 20 KV và 10 KV điện áp xoay chiều 50 ÷ 60

HZ trong 5 phút

2.1.3 Các thiết bị phát quang

- Diode phát quang LED

Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) là một loại nguồn phátquang 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 trúctiếp giáp dị thể kép ( không thuần nhất) Xét cấu trúc dị thể kép loại qua khảosát và kiểm tra đã đem lại sự ứng dụng nhiều nhất

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

-+

Vùng tích cưc

Vùng dẫn nóng

Hình 2.6 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 thốngthông tin quang là cấu trúc phát mặt và cấu trúc phát cạnh Đối với phát mặtthì mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫnquang Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50 m

và độ dày khoảng 2,5 m Mẫu phái chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùmphái khoảng 1200 LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tíchcực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp Cả hai lớpdẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lạicao hơn chỉ số chiết suất của các vật liệu bao quanh Cấu trúc này hình thànhmột kênh dẫn nóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi Để tươngquan với lõi sợi dẫn quang có đường kính nhỏ từ 50  100 m, các dải tiếpxúc với LED phát cạnh phải rộng từ 50  70 m Độ dài của các vùng tíchcực thường là 100  150 m

Kim loại hóaChất nền

hình tròn

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

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

Bảng 2.1 Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

ánh sáng ra kết hợp

Giải tiếp xúc Miền hoạt tínhKim loạiChất nền

Tỏa nhiệt

Lớp dẫn ánh sáng

Lớp Si02 cách điệnCác lớp dị thể kép

Hình 2.8 Cấu trúc LED phát cạnh

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

0,55 m0,59 m0,87 m0,93 m3,6 mVật liệu 3 và

4 thành phần

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

1,42  1,6eV

0,74

1,13eV

6,77 0,87

m1,1  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 vàphát cạnh Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều nàygiúp cho chi phí về giá thành thấp Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảođảm độ tin cậy để duy trì chất lượng thông tin tốt Các mức công suất thườngghép với ELED nằm trong khoảng từ 2  10 m ở điều kiện nhiệt độ phòng.Tốc độ điều biến phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn phát LED và điều kiệnđiểu khiển Các thiết bị ở thị trường hiện nay đạt tốc độ 200 bit/s còn thiết bịthực nghiệm cho ELED thì cao hơn đạt 565 bit/s đến 1,2 Gbit/s 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

bước sóng trung tâm của LED thì không thể bỏ qua được Ngoài ra độ rộngphổ cho tán sắc sợi, sự thay đổi suy hao cũng ảnh hưởng đến tuyến thông tin.

Bảng 2.2. Các đặc tính ELED tiêu biểu

- 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

- 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 thôngtin quang chủ yếu dùng Laser bán dẫn và thường là Diode Laser (LD) Về cơbản nguyên lý hoạt động của các loại Laser là như nhau thông qua ba quátrình mấu chốt, là hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Vớinăng lượng trạng thái nếu là E1 và E2 là năng lượng trạng thái kích thích theođịnh luật Plank thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có liên quan đếnquá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng: hv12 = E2 - E1

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

(Hấp thụ)

- Cấu trúc dựa vào mục đích đó là làm hạn chế các mode bên để cóđược quá trình phát Laser ổn định, đảm bảo dòng ngưỡng tương đối nhỏ.

+ Cấu trúc thứ nhất là có một dải điện cực với độ rộng nhỏ hơn 8 mđược đặt dọc theo chiều dài của diode laser Sự phun các điện tử vào lỗ trốngvào thiết bị làm thay đổi trực tiếp chỉ số chiết suất của lớp tích cực ở dưới dải.Loại này được gọi là Laser điều khiển khuếch đại (GGL) Ưu điểm là có thểphát công suất lớn trên 100 mW nhưng lại rất không ổn định và có tínhAstimatic cao

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

Vùng chiết suất cao

Vùng chiết suất cao

Vùng tích cực

-200 00 -100 00 -100 00

- Các mode và điều kiện ngưỡng của điot laser Sự bức xạ quang tronghốc cộng hưởng của Diode laser đã tạo nên một mẫu vạch trường điện và từđược gọi là các mode của hốc cộng hưởng Các mode này có thể chia ra haitập 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 quangtrong mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền xa, ta cần sử dụng cácloại Diode laser có độ rộng phổ hẹp, đó chính là các laser đơn mode Cáclazer này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn

- Điều biến tần số cao có hai phương pháp nhằm thay đổi công suấtquang đầu ra là điều biến xung dùng cho các hệ thống thông tin truyền dẫn tínhiệu 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 thờigian 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 điệndung song song có trong dây dẫn kim loại Cơ chế thứ hai cơ bản hơn có liênquan đến đặc tính động của laser làm nảy sinh tần số cộng hưởng trong dảiGHZ Tần số này tỷ lệ với căn bậc hai công suất đầu ra

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

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

2.1.4 Các thiết bị thu quang

- Photodiode PIN:

Cấu trúc cơ bản gồm các vùng P và n cách nhau bằng một lớp tự dẫn irất mỏng Để thiết bị hoạt động, thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùngbên trong rút hết các hạt mang Khi đó sự tập trung hạt mang n và P là nhỏkhông đáng kể so với sự tập trung tạp chất trong vùng này Khi có ánh sáng đivào photodiode quá trình xảy ra là nếu một photon trong chùm ánh sáng tớimang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấmcủa vật liệu bán dẫn trong photodiode, thì photon có thể kích thích điện tử từvùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ làm phát ra các cặp điện tử lỗtrống mà đôi khi được gọi là hạt mang quang Thông thường, bộ tách sóngquang 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 vùngtrôi làm cho các hạt mang tách nhau ra và được chu nhận qua tiếp giáp cóthiên áp ngược Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồngdòng điện sẽ ứng với nhiều cặp hạt mang được phát ra Luồng dòng này đượcgọi là dòng photon

ni

vùng cấm P

Lỗ trống

hv  EF

Tách nóngThiên áp

Vùng hóa trị

Tín hiệu raĐiện trở

tải

hv photonĐiện tử

Vùng nghèo

R1

IPi

Vùng dẫnn

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 n và p tương ứng Quan hệ giữa tuổi thọ và độ dài khuếch tán như sau:

Ln = (Dn n) 1/2 và Lp = (Dp p)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.P(x) = P0(1 - e -s ())

Ở đây s () là hệ số hấp thụ tại bước sóng ,P0 là mức công suất quangtới, và P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

10 5

10 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,4

(Cm)

GeGaAs

Ci

Bước sóng µm

Hệ số hấp thụ quang thay đổi theo bước sóng Sự phụ thuộc của hệ sốhấp thụ quang vào bước sóng đối với một số vật liệu có thể cho ta thấy s phụthuộc rất nhiều vào bước sóng Như vậy vật liệu bán dẫn chỉ có thể được sửdụng trên một phạm vi bước sóng giới hạn mà thôi Đặc tính của photodiodethường được đặc trưng bởi đáp ứng (hệ số chuyển đổi) R Nó liên quan đến hệsuất lượng tử

Đáp ứng A

(W)

InGaAs Si

Ge Si

1,0 0,8 0,6 0,4

0,2

0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7

Tham số này rất hay sử dụng vì nó đặc trưng cho dòng photon phát ratrên một đơn vị công suất quang Đáp ứng photođiôt PIN thường là hàm sốcủa bước sóng như hình trên Các giá trị đó là 0,6 A/W đối với Si tại bướcsóng 900 nm; 0,45 A/W đối với Ge tại bước sóng 1,3 m Trong hầu hếtcác 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 tuyếntính của công suất quang Có nghĩa là, dòng photon Ip tỷ lệ trực tiếp với côngsuất 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 cácbước sóng vì nó thay đổi theo năng lượng photon Vậy đáp ứng là một hàmcác bước sóng và của vật liệu làm photodiot (vật liệu khác nhau có nănglượng giải cấm khác nhau) Đối với vật liệu đã cho, bước sóng của photon tớicàng dài thì năng lượng photon càng nhỏ để kích thích điện tử từ vùng hóa trịtới vùng dẫn, lúc này đáp ứng dốc 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 dòngphoton ngay trên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếptheo 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 trongcùng một vùng trôi, ở các cấu trúc Pn hoặc PIN đơn giản Cấu trúc thôngdụng của photodiode là:

LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT

Trường điện

Vùng thácTrường tối thiểu cần thiết

để tác động ion hóa

Gồm có vật liệu P điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền P+ Sau đókhuếch tán hoặc cấy lớp n+ (loại n pha tạp nặng) Hai vùng cách nhau bởi mộtvùng trường điện thấp là nơi các photon được hấp thụ và các hạt mang quangtrôi theo chiều phân cực, và một vùng trường điện cao là nơi các hạt mangđược gia tốc và chịu quá trình nhân Đối với Si, chất kích tạp ở vùng nàythường tương ứng là B0 hoặc photpho Cấu trúc như vậy thường được gọi làcấu trúc cận xuyên p+ipn+ - Lớp i (hay II) cơ bản là lớp vật liệu tự dẫn có phatạp một chút p Khi có một thiên áp ngược nhỏ, hầu hết điện thế rơi vào tiếpgiáp pn+, vùng trôi sẽ mở rộng ra cùng với sự tăng của thiên áp cho đến khiđạt được đến một giá trị điện áp mà tại đó trường điện tiếp giáp pn+ vàokhoảng 5  10% phần phía dưới, đây là giá trị đủ đề gây ra thác đổ Lúc nàyvùng trôi chỉ "cần xuyên" vùng tự dẫn.

Photodiode thác cận xuyên (RAPD) hoạt động theo kiểu hoàn toàn trôi.Ánh sáng đi vào thiết bị xuyên qua vùng p+ và được hấp thụ trong vật liệu i,đóng vai trò như một vùng nhận các hạt mang quang được phát ra Khi đangđược hấp thụ, photon sẽ phát ra năng lượng của nó vì thế tạo ra các cặp điện

tử lỗ trống, và chúng bị tách ra do tác động của trường điện trong vùng i Cácđiện tử được phát ra trôi qua vùng i tới tiếp giáp pn+, nơi tồn tại trường điệncao và tại đây sẽ xảy ra sự nhân hạt mang quang

Mạch điện sơ lược của bộ thu quang

Cân bằng