Thiết kế mạng truyền tải quang ghép 64 kênh bước sóng wdm, dung lượng 640gb cho tuyến hà nội hà tĩnh

Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM là một trong các kĩ thuật có thể làm tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và tận dụng tối ưu băng tần của sợi quang,

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG

GHÉP 64 KÊNH BƯỚC SÓNG, DUNG LƯỢNG 640Gb

CHO TUYẾN HÀ NỘI - HÀ TĨNH

Giảng viên hướng dẫn : ThS PHẠM MẠNH TOÀN

Sinh viên thực hiện : ĐỚI VĂN NGHIỆP

Mã số sinh viên : 0951085049

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đã bước vào thế kỷ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc và kiến thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành, mỗi quốc gia Với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, Việt Nam đã và đang hiện đại hóa mạng lưới viễn thông để hòa nhập với thế giới góp phần không nhỏ cho sự phát triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước

Trong thời kỳ hiện nay, các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại hình dịch vụ phong phú Những năm gần đây, ở Việt Nam nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn nhiều nơi chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng Do vậy bằng kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể tạo ra các hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ cao, độ rộng băng tần lớn, truyền tín hiệu đi

xa mà tổn hao lại thấp Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM là một trong các kĩ thuật có thể làm tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và tận dụng tối ưu băng tần của sợi quang, thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi Chính vì

vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế mạng truyền tải

quang ghép 64 kênh bước sóng WDM, dung lượng 640Gb cho tuyến Hà Nội -

Hà Tĩnh” Đồ án được chia làm ba chương

Chương 1 Kỹ thuật thông tin quang

Chương 2 Hệ thống thông tin quang WDM

Chương 3 Thiết kế mạng truyền tải quang ghép 64 kênh bước sóng WDM, dung lượng 640Gb cho tuyến Hà Nội - Hà Tĩnh

Qua quá trình làm đồ án em đã cố gắng hoàn thành nhưng do giới hạn về trình

độ hiểu biết nên bản đồ án này không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được

sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để có thêm kinh nghiệm vào thực tế

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Vinh đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em

trong quá trình học tập Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Phạm Mạnh Toàn, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 10 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Đới Văn Nghiệp

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

TẮT ĐỒ ÁN 5

ABSTRACT 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 8

Chương 1 KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 11

1.1 Giới thiệu chương 11

1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11

1.3 Hệ thống thông tin quang 13

1.4 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 15

1.5 Sợi quang và sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

1.5.1 Sợi quang 16

1.5.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang 18

1.5.3 Phân loại sợi quang 20

1.5.4 Các hiệu ứng phi tuyến 22

1.5.5 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 23

1.5.6 Suy hao của sợi quang 26

1.5.7 Tán sắc ánh sáng 27

1.6 Thiết bị phát quang 28

1.6.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 29

1.6.2 Diode phát quang LED 30

1.6.3 Diode laser bán dẫn 31

1.6.4 Nhiễu trong nguồn phát laser 31

1.7 Thiết bị thu quang 32

1.7.1 Photodiode p-i-n 32

1.7.2 Photodiode thác APD 34

1.8 Nhiễu trong hệ thống thu quang 35

1.8.1 Nhiễu nhiệt 35

1.8.2 Nhiễu lượng tử 35

1.8.3 Nhiễu dòng tối 35

1.9 Kết luận chương 36

Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 37

2.1 Giới thiệu chương 37

2.2 Nguyên lý WDM 39

2.2.1 WDM là gì? 39

2.2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM 40

2.2.3 WDM và DWDM 41

2.3 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM 43

2.3.1 Bộ phát quang 43

2.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang 45

2.3.3 Bộ khuếch đại quang 48

2.3.4 Bộ thu quang 50

2.3.5 Sợi quang 51

2.3.6 Bộ lọc 52

2.4 Một số tham số ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM 53

2.4.1 Tán sắc 53

2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến 61

Chương 3 THIẾT KẾ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG GHÉP 64 KÊNH BƯỚC SÓNG WDM, DUNG LƯỢNG 640Gb CHO TUYẾN HÀ NỘI - HÀ TĨNH 66

3.1 Cơ bản về phần mềm 66

3.2 Một số vấn đề cần chú ý trong thiết kế tuyến thông tin quang 67

3.2.1 Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 67

3.2.2 Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát 71

3.2.3 Ảnh hưởng của suy hao 72

3.2.4 Ảnh hưởng của tán sắc 72

3.3 Thiết kế, mô phỏng tuyến thông tin quang TP Hà Tĩnh - TP Hà Nội 76

3.3.1 Bài toán: Thiết kế và mô phỏng tuyến Hà Tĩnh - Hà Nội dung lượng 640Gb/s 76

3.3.2 Tính toán và mô phỏng 76

3.3.3 Bộ phát 78

3.3.4 Phần truyền dẫn 83

3.3.5 Bộ thu 85

3.3.6 Thiết bị đo 87

3.3.7 Cài đặt tham số toàn cục 87

3.3.8 Chạy mô phỏng 88

3.3.9 Kết quả mô phỏng 88

3.3.10 Hiệu chính giá thị BER 10-12 89

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đã trình bày về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM Với các

nhân tố ảnh hưởng đến một tuyến thông tin quang WDM như: số kênh sử dụng, độ rộng kênh, tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến,…Trên cơ sở đó đưa ra giải pháp tối ưu nhằm nâng cao chất lượng tuyến như tăng công suất phát cho hệ thống,

sử dụng sợi bù tán sắc, bộ khuếch đại quang,… Chưa dừng lại ở đó, đồ án thiết kế,

mô phỏng một tuyến thông tin quang Hà Nội - Hà tĩnh cho ta thấy được những đặc tính, thông số kỹ thuật cũng như những ưu, nhược điểm của kỹ thuật này để áp dụng vào thực tế

ABSTRACT

This project presents the technical of Wavelength Division Multiplexing WDM With impacted elements of WDM system as: number of channaels use, channel width, attenuation, dispersal, non-linear effect,…On that basis, giving optimal solutions to enhance quality line as increase capacity of system, use dispersion compensation fiber, optical amplifiers,… Not only that, project designing and simulation of information system Ha Noi - Ha Tinh we can recognize characteristics, specifications as well as this technology’s advantages, disadvantages

to apply for actuality

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn không

đồng bộ

DCF Dispersion Compensation Fibers Sợi bù tán sắc

DSF Dispersion - Shifted Fiber Sợi quang đơn mode tán sắc

dịch chuyển DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép phân chia theo bước

sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có

pha tạp Erbium FDM Frequency - Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số

IM - DD Intensity Modulation - Direct

Detection

Điều biến cường độ - tách sóng trực tiếp

ITU - T International Telecommunication

Union -Telecommunication Standardization Bureau

Ban tiêu chuẩn hóa viễn thông trong Liên minh viễn thông quốc tế

NZ - DSF Non - Zero Dispersion - Shifted Fiber Sợi quang tán sắc dịch chuyển

khác không

OTDM Optical Time Division

Multiplexing

Ghép kênh quang theo thời gian

P - I - N Positive - Intrinsic – Negative Cấu trúc p-i-n

PMD Polarization - Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại laser bán dẫn

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SRS Stimulated Ramam Scattering Tán xạ do bị kích thích Raman

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử bước

sóng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang 13

Hình 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 15

Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể của sợi 16

Hình 1.4 Sợi cáp quang 17

Hình 1.5 Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường 19

Hình 1.6 Ánh sáng trong sợi quang 19

Hình 1.7 Sự truyền ánh sáng trong sợi SI 20

Hình 1.8 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode 21

Hình 1.9 Kích thước sợi đa mode 22

Hình 1.10 Dạng xung vào và ra do tán sắc 27

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tán sắc 28

Hình 1.12 Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch 29

Hình 1.13 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng của photodiode p-i-n 33

Hình 1.14 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi 34

Hình 2.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian 37

Hình 2.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM 39

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 40

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi 41

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 41

Hình 2.6 Tách kênh sử dụng lăng kính 46

Hình 2.7 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ 46

Hình 2.8 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh 56

Hình 2.9 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] thay đổi theo tham số V 57

Hình 2.10 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 59

Hình 2.11 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD 59

Hình 2.12 Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM 62

Hình 2.13 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 63

Hình 2.14 Hiệu ứng FWM 64

Hình 3.1 Hệ thống thực nghiệm 10 Gbit/s sử dụng DCF tạo OAR 75

Hình 3.2 Giao diện chính của phần mềm optisystem 77

Hình 3.3 Nguồn laser phát cw laser 78

Hình 3.4 Bộ tạo xung NRZ 78

Hình 3.5 Bộ tạo chuỗi bít 78

Hình 3.6 Bộ điều chế ngoài 79

Hình 3.7 Bộ ghép kênh mux 79

Hình 3.8 Các phần tử trong bộ phát 79

Hình 3.9 Tạo hệ thống con bao gồm 8 kênh 80

Hình 3.10 Hệ thống con 80

Hình 3.11 Tạo cổng ra cho hệ thống con 80

Hình 3.12 Tạo cổng vào cho hệ thống con 81

Hình 3.13 Các hệ thống con 81

Hinh 3.14 Lấy nguồn phát CW Laser Aray 81

Hình 3.15 Cách thiết lập tần số cho CW Laser Aray 82

Hình 3.16 Thiết lập tần số và khoảng cách kênh 82

Hình 3.17 Lấy biểu tương WDM mux 83

Hình 3.18 Tuyến truyền dẫn 83

Hình 3.19 Bộ thu 86

Hình 3.20 Các phần tử trong bộ thu 86

Hình 3.21 Sơ đồ mô phỏng DWDM 64 kênh 87

Hình 3.22 Thiết lập thông số toàn cục 87

Hình 3.23 Chạy mô phỏng 88

Hình 3.24 Công suất đầu ra máy phát 88

Hình 3.25 Công suất đầu vào máy thu 88

Hình 3.26 Phổ tín hiệu 89

Hình 3.29 Thiết lập số lần quét công suất 90

Hình 3.27 Các giá trị công suất quét 90

Hình 3.28 Giá trị công suất phát phù hợp với BER 10-12 91

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các tham số của một số loại sợi quang đơn mode 25

Bảng 1.2 Các đặc tính của các photodiode p-i-n 33

Bảng 1.3 Các đặc tính của các photodiode thác APD 35

Bảng 3.1 Tần số trung tâm danh định 68

Bảng 3.2 Thông số tính toán cho tuyến 84

Bảng 3.3 Giá trị Ber của 64 kênh với công suất phát -15dB 93

Bảng 3.4 Giá trị BER của 64 kênh sau khi hiệu chỉnh lại công suất 94

Chương 1

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chương

Hệ thống thông tin quang là một phần quan trọng trong mạng viễn thông ngày nay Ở đó, thông tin được truyền đi dưới dạng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được thực hiện

ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ

1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong lịch sử phát triển loài người khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang, bởi vì không thể ra dấu trong bóng tối Ban ngày mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này Thông tin được mang từ người gửi đến người nhận dựa vào sự bức xạ mặt trời Mắt là thiết bị thu thông điệp này và bộ não xử lý thông điệp này Thông tin này truyền theo kiểu

rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn và lỗi rất lớn

Một hệ thống thông quang sau đó có đường truyền dài hơn là tín hiệu khói Thông điệp được gửi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ lửa Mẫu khói này một lần nữa được mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời Hệ thống này đòi hỏi một phương pháp mã hóa đã được đặt ra mà người gửi và người nhận thông điệp phải được đọc nó

Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa

để làm thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây như là, vào năm 1775 Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới, năm 1790 Claude Chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn tín hiệu ở trên

đó Thời đó tin tức được truyền với tín hiệu này vượt chăng đường 200 km trong vòng 15 phút, năm 1854 John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi

trường điện môi trong suốt, năm 1870: cũng John Tyndall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần

Tiếp đó vào năm 1880, Alexander Graham Bell, người Mỹ đã phát minh ra một hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi

Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quang dẫn selen, nó

sẽ biến đổi thông điệp thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này Hệ thống photophone chưa bao giờ đạt thành công trên thương mại, mặc dù nó

đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền Năm 1934 Norman R.French, kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.Và vào những năm 1950 Brian O’ Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng truyền lan trong lớp này) và lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng ở trong lõi Sợi này sau đó được các nhà khoa học trên phát triển thành Fiberscope uốn cong (một loại kinh soi bằng sợi quang), một thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong của Fiberscope cho phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một cách bình thường được Đến nay, hệ thống Fiberscope vẫn còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong ngành y dung để soi bên trong cơ thể con người Năm 1967, suy hao sợi quang được báo cáo

là α ≈ 1000 dB/Km Năm 1970 hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α < 20 dB/Km ở bước sóng λ = 633 nm Năm 1972 loại sợi GI được chế tạo với suy hao α ≈ 4dB/Km Năm 1983, sợi SM (single Mode) được sản xuất ở Mỹ Năm 1998, công ty NEC thiết lập một mạng đường dài có tốc độ 10Gbit/s trên chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tiếp phân bố Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km ở bước sóng 1550 nm và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều

Hình 1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang

1.3 Hệ thống thông tin quang

Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như điện thoại, điện báo, fax số liệu sau khi được mã hóa sẽ đưa đến thiết bị phát quang.Tại đây, tín hiệu điện sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu quang Tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợi quang thi sẽ bị suy hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp nhằm khôi phục lại tín hiệu Tín hiệu quang ban đầu để tiếp tục truyền đi Khi đến thiết bị thu quang thì tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại tín hiệu ban đầu để đưa đến thiết bị đầu cuối Hệ thống thông tin quang gồm có những phần chính là bộ phát quang, bộ thu quang

Bộ phát quang bao gồm mạch điều khiển và nguồn quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu đưa đến, biến tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền (sợi quang) Phần tử phát xạ ánh sáng có thể là LED và LASER LED dung phù hợp cho hệ thống thông tin quang có tốc độ không quá 200Mbps sử dụng sợi đa mode LED phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng nên để sử dụng LED tốt trong hê thống thông tin quang thì nó phải có công suất bức

xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh LASER khắc phục nhược điểm của LED cho truyền dẫn tốc độ cao, phổ phát xạ rất hẹp (khoảng từ 1 đến 4nm nên giảm được tán sắc chất liệu), góc phát quang hẹp (5-100), hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi cao

Bộ thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu Khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ được thu nhận và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát Linh kiện được

sử dụng để tách sóng quang là các diod quang PIN và diod quang kiểu thác ADP được chế tạo từ các bán dẫn cơ bản si, Ge, InP

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 các sợi quang trong quá trình lắp đặt và khai thác, trong ống cáp còn có thể có dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu không nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng bộ lặp Chức năng của

bộ lặp là thu nhận tín hiệu quang đã bị suy yếu tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệu này, khuyếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuyếch đại thành tín hiệu quang Và cuối cùng đưa tín hiệu lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Nguồn phát

Mạch điều khiển

Phát quang Trạm lặp

Khuếch đại quang

Khôi phục tín hiệu Khuếch đại

Bộ thu quang

Mạch điên

Tín hiều đầu ra

Mối hàn sợi quang

Bộ nối quang

Hình 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

1.4 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có ưu điểm rất nổi trội như, suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn Nếu so sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách đối với cáp đồng được khuyến cáo là 100 m thì đối với cáp quang khoảng cách

đó là 2000 m Dải thông rộng, sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số có tốc độ cao Hiện nay băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz Trọng lượng nhẹ, trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn Kích thước nhỏ, cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp

về không gian lắp đặt cáp Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp Ngoài ra sợi quang còn có các đặc tính như,tính an toàn vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện và tính bảo mật vì sợi quang rất khó trích tín hiệu

Vì nó không bức xạ năng lượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện

từ, và rất khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang

Ngoài các ưu điềm thì hệ thống thông tin quang còn có những nhược điểm như, vấn đề biến đổi Điện- Quang trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi

Đầu thu quang Khuếch

đại quang

quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành dạng sóng ánh sang, dòn, dễ gãy do sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh nên dòn và dễ gãy Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng Vấn đề sửa chữa các quy trình sữa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp Vấn đề an toàn lao động, khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang hay các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều chế khi có nguồn năng lượng này và sẽ gây nguy hại cho mắt

1.5 Sợi quang và sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1.5.1 Sợi quang

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại Chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất áo một chút

Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy tinh bao quanh lõi Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinhcó tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ Muốn vậy thì chi số chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ

Sợi cáp quang được cấu tạo từ ba thành phần chính là lõi (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer)

Hình 1.4 Sợi cáp quang

Core được làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng

Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút

Cladding bao bọc core là lớp thủy tinh hay plastic nhằm bảo vệ và là phản xạ ánh sáng trở lại core Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (silica), chất dẻo, kim loại, fluor, sợi quang kết tinh Thành phần lõi và vỏ có chiếc suất khác nhau

Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không

bị bụi, ẩm, trầy xước, vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và

ăn mòn, đồng thời chống xuyẽn âm với các sợi đi bên cạnh.

Hai loại cáp quang phổ biến là GOF (Glass Optical Fiber) - cáp quang làm bằng thuỷ tinh và POF (Plastic Optical Fiber) - cáp quang làm bằng plastic POF có đường kính core khá lớn khoảng l mm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp

Bảo vệ sợi cáp quang là lớp vỏ ngoài gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo, tính chất của mỗi loại cáp Nhưng có ba lớp bảo vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) - tùy theo tài liệu sẽ có tên gọi khác nhau Strength member là lớp chịu nhiệt, chịu kéo căng, thường làm từ các sợi Kevlar Buffer thường làm bằng nhựa PVC, bảo vệ tránh va đập, ẩm ướt Lớp bảo vệ ngoài cùng là Jacket Mỗi loại cáp, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có thêm các lớp jacket khác

Jacket Buffer

Strength member

Primary Coating Cladding

Core

nhau Jacket có khả năng chịu va đập, nhiệt và chịu mài mòn, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường

Có hai loại thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (close- tube) và ống đệm chặt (tight buffer)

1.5.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang là môi trường thông tin đặc biệt so với các môi trường khác như cáp đồng hay không gian tự do Một sợi quang cho suy hao tín hiệu thấp trên một phạm vi tần số lớn, đặc tính này cho phép tín hiệu được truyền qua các khoảng cách xa ở tốc độ cao trước khi cần khuyếch đại hoặc tái lặp lại.

Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ được bao quanh bởi lớp vỏ Cả phần lõi

và vỏ được làm chủ yếu từ silica (SiO2), có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1.45 Chỉ số khúc

xạ của vật liệu là tỉ số vận tốc ánh sáng trong chân không so với tốc độ ánh sáng trong vật liệu đó như thể hiện ở công thức 1.1

n = c

Trong đó:

n: Chiết suất của môi trường

c: Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị: m/s

v: Vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị: m/s

Vì c ≥ v nên n ≥ 1

Trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất nào đó được đưa vào trong lõi hoặc vỏ để cho chỉ số khúc xạ trong lõi lớn so với vỏ Các nguyên liệu như Germani hoặc Photpho làm tăng chiết suất silica và được dùng để thêm vào phần lõi của sợi quang, trong khi chất Bo hay Flo làm giảm chiết suất của Silica nên được dùng tạp chất cho lớp vỏ

Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng trong một môi trường và bị phản xạ hoặc khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau Một tia sáng từ môi trường 1 đến mặt phân cách của môi trường 2, góc tới là góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trường được biểu thi bằng θ1 Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trường 2 là tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r, là góc giữa tia phản

xạ và pháp tuyến, tương tự góc khúc xạ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến

Ta có : θ1r = θ1

Theo định luật Snell: n1.sinθ1 = n2.sinθ2 (1.2)

Khi góc tới θ1 tăng lên thì góc khúc xạ θ2 cũng tăng theo Nếu θ2 = 900 thì sin

θ1 = n1

n2 , lúc này góc θ1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin- 1 n1

n2 , với n1 > n2 Với những giá trị θ1 > θc, sẽ không có tia khúc xạ và tất cả năng lượng từ tia tới được phản xạ hết Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

Sự phản xạ và khúc xạ của các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường được biễu diễn trên hình 1.5

Hình 1.5 Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Ánh sáng truyền trong sợi quang do hiện tượng phản xạ toàn phần gây ra giữa

bề mặt phần lõi và vỏ được biễu diễn trên hình 1.6

Hình 1.6 Ánh sáng trong sợi quang

Hình trên cho thấy ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết suất n0 vào sợi

1.5.3 Phân loại sợi quang

Có nhiều cách phân loại sợi quang, gồm phân loại theo vạt liệu điện môi, phân loại theo chỉ số khúc xạ, phân loại theo mod lan truyền

Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì có tổng số 3 loại, một loại sợi bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh và một loại là sợi bằng nhựa Các sợi quang thạch anh không những chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) mà

còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F… để làm thay đổi chiết xuất khúc xạ

Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinh hoặc thủy tinh boro - silicat … Đối với vật liệu sản xuất sợi quang bằng nhựa, silicon resin (tức là Polymethyl methacrylate : PMMA) thường được sử dụng Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài Nhưng các loại sợi bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công (như dễ dàng hàn nối, không phương hại đến các đặc tính truyền dẫn khi

bẻ gập ) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém

Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ thì các sợi quang có thể phân loại thành

hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi Một loại là sợi quang có chiết xuất nhảy bậc SI (Step Index) Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết xuất giảm dần

GI (Graded Index) Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (Step Index) là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và của lớp 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 những đường khác nhau như hình 1.7

Phân loại theo Mode lan truyền thì sợi quang được chia thành hai nhóm Một

là sợi quang đơn mode (được gọi tắt là SM : single mode) Loại sợi thứ hai là loại

đa mode (được gọi tắt là MM : multi mode) Mode sóng là một trạng thái truyền ổn

định của ánh sáng trong sợi, khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode Sợi đơn mode là loại

sợi chỉ cho một mode sóng lan truyền

Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc hình 1.9

Hình 1.8 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode

Các thông số thông dụng của sợi đơn mode :

+ Đường kính lõi d = 9m  10m

+ Đường kính lớp bọc: D = 125m

+ Độ chênh lệch chiết suất  = 0,003 = 0,3%

+ Chiếc suất lõi : n1 = 1,46

Sợi đa mode là sợi có nhiều mode sóng lan truyền Các thông số của loại sợi

đa mode thông dụng (50/125m) là:





+ Đường kính lõi d = 50m

+ Đường kính lớp bọc D = 125m

+ Độ chênh lệch chiết suất  = 0,01 =1%

+ Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần như hình 1.10

Hình 1.9 Kích thước sợi đa mode

1.5.4 Các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các

hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như 10Gbps và cao hơn, hay ở

mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử trong môi trường silica- một trong những loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là hiệu ứng Rayleigh Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS) Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM -Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing)

Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn (hoặc năng lượng thấp hơn) Năng lượng bị mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các dao động phân tử hoặc các phonon

Nói chung, các hiệu ứng tán xạ được đặc trưng bởi hệ số độ lợi g và độ rộng phổ ∆f (đối với độ lợi tương ứng) và công suất ngưỡng của ánh sáng tới - mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3dB, tức là một nửa công suất trên toàn bộ độ dài sợi quang Hệ số độ lợi là một đại lượng chỉ cường độ của hiệu ứng phi tuyến Trong hệ thống WDM đa kênh, hiện tượng chirp (tần số xung truyền đi thay đổi theo thời gian) xảy ra trong một kênh phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất theo cường

độ của kênh khác Hiện ứng này được gọi là hiệu ứng xuyên điều chế pha (CMP) Trong hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng khác đó là hiệu ứng trộn bốn bước sóng Nếu hệ thống WDM bao gồm các tần số f1, f2, f3,……, fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng sinh ra các tín hiệu tại các tần số như là 2fi - fj và fi + fj - fk Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh với các tín hiệu có sẵn hệ thống Xuyên kênh này ảnh hưởng nghiêm trọng khi khoảng cách giữa các kênh hẹp Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng trộn bốn bước sóng Vì vậy hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bước sóng nhiều hơn hệ thống sử dụng sợi đơn mode Tuy nhiên hiện tượng này có thể hủy bỏ nếu duy trì một ít tán sắc màu trong sợi quang

Nhìn chung các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.[1]

1.5.5 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang

Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang Sợi quang

có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn Cho tới nay, người

ta đã chế tạo được hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang, đó là sợi đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion-Shifted Fiber) và sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ - DSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber) Sợi quang đơn mode chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU - T chuẩn hóa

Sợi DSF là sợi đơn mode có bước sóng λ0 nằm trong vùng bước sóng 1550μm (1525nm ÷ 1575nm) mà tại đó giá trị tán sắc bằng không, và sợi này sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh 1550nm, cũng có thể dùng cho vùng bước sóng 1310nm Do sợi quang đơn mode DSF có cả suy hao và tán sắc nhỏ giống như sợi đơn mode SMF nên rất có hiệu quả trong việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA (Erbium-doped Fiber Amplifier) Như vậy, sợi này

có thể xây dùng để xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa chẳng hạn như các hệ thống thông tin cáp quang biển

Sợi NZ - DSF là loại sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc tuyệt đối của nó nhỏ nhưng không nằm trong vùng bước sóng 1550nm; bước sóng này mà tại đó tán sắc bằng không nằm ở ngoài vùng bước sóng 1500nm ÷ 1600nm Sợi này được coi

là tối ưu cho các hệ thống thông tin quang hoạt động ở các bước sóng nằm trong vùng bước sóng 1500nm ÷ 1600nm Khi kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời thể hiện khả năng truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang Khi đó, đáp ứng phi tuyến gây ra thêm một loạt hiệu ứng phi tuyến như: hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing), tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế ngang pha XPM (Cross Phase Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM gây ra nhiều phiền phức nhất Do hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa Để giải quyết vấn đề này thì sợi dịch chuyển tán sắc khác không NZ - DSF đã ra đời vào năm 1994 Các loại sợi này có tán sắc nhỏ nhưng với giá trị tiêu biểu là 1ps/km.nm ≤ Dmin ≤ Dmax ≤

6 ps/km.nm hoặc là -1 ps/km.nm ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ -6 ps/km.nm trong vùng bước sóng 1530 ÷ 1560nm Điều này cắt giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong khi vẫn giữ nguyên các ưu điểm của sợi DSF.[1]

Bảng 1.1 Các tham số của một số loại sợi quang đơn mode

(theo khuyến nghị ITU - T, Rec.G.652,G653 và G 655)

Giá trị chuẩn

Sai

số Đường kính tại

λmin≤ λmax ≤ 1650nm Tán sắc phân cực

1/2

1.5.6 Suy hao của sợi quang

Suy hao công suất quang truyền tải sợi củng giảm dần theo cự ly với quy luật hàm

số mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng:

P(Z)= P(0) x10

-a.Z

10 (1.3) Trong đó:

P(0): Công suất ở đầu sợi

P(Z): Công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

α : Hệ số suy hao

Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:

A(dB)= 10lg P1

P2 (1.4) Trong đó:

P1: Công suất đưa vào sợi

P2: Công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

α(dB/km) = A(dB)

L(km) (1.5) Trong đó:

A: Suy hao của sợi

L: Chiều dài của sợi

Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang bao gồm nhiều yếu tố trong

đó tác nhân chính như, suy hao do sự hấp thụ ánh sáng xảy ra do các nguyên nhânnhưsuy hao do sự hấp thụ của tạp chất kim loại, sự hấp thụ của ion OH,

sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt, đồng, mangan, choromium, cobar, niken Mức độ hấp thụ từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Để sợi quang có độ suy hao nhỏ hơn 1dB/km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ(10-9) Sự hấp thụ của ion OH: các liên kết giữa SiO2 và các ion

OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang củng tạo ra mật

độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ suy hao tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240nm và 1400 nm Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại: ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thủy tinh có độ tinh khiết cao thì sự hấp thụ vẫn xảy ra Bản than thủy tinh tinh khiết củng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại Suy hao do tán xạ bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo Tán xạ Rayleigh khi sóng điện

từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử từ thủy tinh, các khuyết tật như bọt không khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì củng trở thành những nguồn điểm để tán xạ Các tia truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phần ánh sáng năng lượng ánh sáng truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác thậm chí còn truyền ngược lại nguồn quang Độ tiêu hao do tán xạ Reyleigh tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng.

1.5.7 Tán sắc ánh sáng

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang củng bị biến dạng Hiện tượng này được gọi là tán sắc Sự tán sắc méo dạng tín hiệu tương tự và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu số Sự tán sắc làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang Dạng xung vào và ra do tán sắc được biễu diễn trên hình 1.11

Hình 1.10 Dạng xung vào và ra do tán sắc

Tán sắc mode trong sợi đa mode, do xung ánh sáng vào mặc dù chỉ có một bước sóng nhưng lan truyền với vài mode khác nhau với tốc độ truyền khác nhau, nó làm khoảng trống thời gian giữa các xung cạnh nhau trở nên

ngắn hơn và tăng theo khẩu độ số của sợi Hiện tượng này gọi là tán sắc mode Do

đó, độ rộng băng truyền dẫn của nó bị giới hạn chủ yếu do tán sắc mode

Tán sắc chất liệu, ánh sáng sử dụng trong thông tin quang không phải là ánh sáng hoàn toàn đơn sắc Chiết suất của thủy tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau củng khác nhau Chính vì thế, ánh sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác nhau của các thành phần bước sóng ánh sáng khác nhau Hiện tượng này gọi là tán sắc chất liệu.Tán sắc dẫn sóng: sự phân

bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng Sự phân bố này gây nên tán sắc ống dẫn sóng

Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn trên sợi quang Tán sắc gây

ra méo tín hiệu và điều này làm cho các xung ánh sáng bị dãn rộng ra khi được truyền dọc theo sợi dẫn quang Khi xung bị giãn ra sẽ dẫn tới chồng lấp lên xung bên cạnh Nếu vượt quá một giá trị nào đó thì thiết bị thu sẽ không còn phân biệt các xung kề nhau nữa và lúc này xuất hiện lỗi Như vậy, các đặc tính tán sắc sẽ xác định giới hạn dung lượng truyền dẫn của sợi quang

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tán sắc

1.6 Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang Chức năng của thiết bị phát quang là biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu này vào trong sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin Thành phần chủ yếu của thiết bị phát quang là nguồn phát quang hay nguồn quang Các nguồn phát quang bán dẫn

thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang là diode phát quang LED (Light - Emitting Diode) và diode laser bán dẫn LD (Diode laser) Đây là loại nguồn phát có nhiều ưu điểm kết hợp; chẳng hạn như có kích cỡ nhỏ gọn, hiệu suất cao, đảm bảo độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương xứng với kích thước lõi sợi, và khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao [1]

1.6.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng

Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp (E1), không có điện tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn (E2), thì ở điều kiện đó nếu có một năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên mức năng lượng E2 Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để truyền năng lượng cần tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch chuyển của điện

tử tới một mức năng lượng khác được gọi là sự chuyển dời

Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao E2 bị hạt nhân nguyên tử hút và quay về trạng thái ban đầu Khi quay về trạng thái E1 thì một năng lượng đúng bằng E2- E1được giải phóng Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được giải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tính theo công thức:

Hình 1.12 Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch

Khi ánh sáng có năng lượng tương bằng E2- E1 đập vào một điện tử ở trạng thái kích thích, điện tử ở trạng thái kích thích E2 theo xu hướng sẽ chuyển rời về trạng thái E1 nay bị kích thích chuyển về trạng thái E2 Sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng đập vào Đó là hiện tượng phát xạ kích thích Năng lượng ánh sáng phát ra

E2

Hấp thụ Phát xạ

tự phát

Phát xạ kích thích

tại thời điểm này lớn hơn năng lượng ánh sáng phát ra tự nhiên Còn đối với cơ chế phát xạ của bán dẫn là nhờ khả năng tái hợp bức xạ phát quang của các hạt dẫn ở trạng thái kích thích Từ điều kiện cân bằng nhiệt, điện tử tập trung hầu hết ở vùng hóa trị có mức năng lượng thấp và một số ít ở vùng dẫn ó mức năng lượng cao Giả

sử rằng trong bán dẫn có N điện tử trong đó có n1 điện tử ở vùng hóa trị n2 điện tử ở vùng dẫn Khi ánh sáng chiếu từ bên ngoài vào bán dẫn ở trạng thái này, tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và hấp thụ tỷ lệ thuận với tỷ số n2 và n1 Việc hấp thụ chiếm đa số

và ánh sáng phát ra giảm đi [1]

1.6.2 Diode phát quang LED

Về cơ bản, cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận Quá trình phát xạ ánh sáng xảy ra trong LED dựa trên hiện tượng phát xạ

Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) là nguồn phát quang rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang tốc độ không quá 200 Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode

Để sử dụng tốt cho hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính bằng Watt Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa các sợi dẫn quang và LED dễ dàng và cho công suất phát ra từ đầu sợi lớn

Thời gian đầu, khi công nghệ thông tin quang chưa được phổ biến, diode phát quang thường dùng cho các sợi quang đa mode Nhưng chỉ sau đó một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang phát triển khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì LED cũng đã có dưới dạng sản phẩm là các modul có sợi dẫn ra là sợi dẫn quang đơn mode Các diode phát quang dùng cho sợi đơn mode SMF là các nguồn phát hấp dẫn đối với mạng thông tin quang nội hạt, truy nhập và các tuyến có cự ly ngắn vì

nó có giá thành rẻ Công suất quang đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản

Thực nghiệm đã đạt được độ dài tuyến lên tới 9,6km với tốc độ 2 Gbit/s và 100km với tốc độ 16 Mbit/s LED có ưu điểm là giá thành thấp và độ tin cậy cao, tuy nhiên chúng phù hợp với mạng nội hạt, các tuyến thông tin quang ngắn với tốc

độ bit trung bình thấp [1]

1.6.3 Diode laser bán dẫn

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)có rất nhiều dạng và đủ các kích cỡ Chúng tồn tại ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn

Về cơ bản, cấu tạo của Laser gồm các đặc điểm như, cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p,

n Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực

Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp P

và N có chiết suất nhỏ hơn Ánh sáng của Laser phát ra ở phía cạnh, giống như LED phát xạ cạnh.Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng, hiện tượng phát xạ tự kích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hon nữa theo cấp số nhân Các photon này được tạo ra có tính chất kết hợp Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại Hiện tượng cộng hưởng của ánh sáng khi lan truyền trong Laser: quá trình chọn lọc tần số hay bước sóng ánh sáng Theo đó chỉ những ánh sáng có tần số hay bước sóng thõa mãn điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền va cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được.[1]

Các hệ thống thông tin quang thường là có tốc độ rất cao Hiện nay nhiều hệ thống thông tin quang có tốc độ 2.5 Gbit/s đến 10 Gbit/s đã được đưa vào khai thác Các hệ thống trong phòng thí nghiệm kết hợp các công nghệ tiên tiến đã đạt tới tốc

độ 40 Gbit/s Còn các hệ thống nhiều kênh sử dụng công nghệ WDM trong phòng thí nghiệm đã lên tới từ 1,2 đến 1,6 Tbit/s Băng tần của hệ thống thông tin quang đòi hỏi khá lớn, như vậy các LD sẽ phù hợp hơn là các diode phát quang LED Các

LD thông thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ trung bình từ 0,8nm đến 2nm và nhỏ hơn, công suất ghép vào sợi quang đạt vài miliwatt

1.6.4 Nhiễu trong nguồn phát laser

Nhiễu trong Laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định về công suất phát quang, bước sóng phát quang củng như độ rộng phổ khi điều kiện hoạt động của Laser không thay đổi Nguyên nhân gây ra nhiễu gồm các loại sau, nhiễu lượng tử là loại nhiễu được tạo ra do sự ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát

xạ photon ánh sáng Nhiễu lượng tử làm cho công suất phát quang ở ngõ ra bị dao

động, không ổn định Nó phụ thuộc vào tần số điều chế của tín hiệu quang, nguồn quang đa mode hay đơn mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với Laser đa mode, dòng

phân cực điện: giảm nhiễu khi dòng điện phân cực lớn hơn dòng ngưỡng của Laser

Sự phản xạ của ánh sáng vào nguồn do ánh sáng phản xạ ngược về tại các conector, mối hàn hay do tán xạ Rayleigh xảy ra trong sợi quang Khi đó, ánh sáng phản xạ sẽ được khuếch đại trong vùng tích tích cực và phát xạ ra ngoài laser cùng với tín hiệu quang, gây ra nhiễu Do vậy, suy hao phản hồi là một thông sô quan trọng trong sợi quang vì có thể ảnh hưởng chất lượng của tuyến quang Để khắc phục loại nhiễu

này, người ta dùng các bộ cách ly quang

Nhiễu thành phần trong các nguồn quang đa mode xảy ra khi các mode được phát ra không ổn định Sự thay đổi của nhiệt độ làm thay đổi phân bố công suất giữa các mode dọc Điều này làm tăng tán sắc trên đường truyền.[1]

1.7 Thiết bị thu quang

Trong các hệ thống thông tin quang, bộ thu quang là một trong những thiết bị quan trọng nhất Tại bộ thu quang, sóng tín hiệu quang từ phía phát đi tới được biến đổi thành tín hiệu điện, rồi được khuếch đại và hồi phục trở lại thành tín hiệu cùng dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện tại bộ biến đổi quang - điện (O/E) Bộ biến đổi quang điện thường là một bộ tách sóng photodiode Đây là một bộ tách sóng theo quy luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo) tại đầu ra của nó Vì thế mà bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách trực tiếp DD (Direct Detection) Thành phần thực hiện tách sóng bộ biến đổi O/E có thể là photodiode p-i-n hoặc photodiode thác APD (Avalanche Photodiode)

1.7.1 Photodiode p-i-n

Photodiode p-i-n là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Cấu trúc cơ bản của photodiode p-i-n gồm các vùng p và n đặt 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 loại hạt mang Khi có ánh sáng đi vào photodiode p-i-n thì sẽ xảy ra quá trình như sau: nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong

photodiode thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử, lỗ trống Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi

mà hầu hết các ánh sáng tới bị hấp thụ (hình 1.14)

Hình 1.13 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng của photodiode p-i-n

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phái sinh ra một xung điện ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ [1]

Bảng 1.2 Các đặc tính của các photodiode p-i-n

Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs

nồng độ tạp chất cao nên điện trở của hai vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ Π là

vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết Nó giống như lớp I của PIN Hầu như tất cả các photon bị hấp thụ trong vùng này, và tạo ra các cặp lỗ trống, điện

tử tự do

Để tăng độ nhạy diode quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện Photodiode thác ký hiệu APD (Avalanche Photodiode) có đặc tính tốt hơn đối với tín hiệu nhỏ Sau khi biến đổi các photon thành các điện tử thì nó khuếch đại ngay dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều này làm tăng mức tín hiệu dẫn tới độ nhạy máy thu tăng lên đáng kể Để thu được hiệu ứng nhân bên trong thì các hạt mang phải được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng Các điện tử xung quanh này được đẩy từ vùng hóa trị tới vùng dẫn rồi tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện Các hạt mang mới này tạo ra tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới khác Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác

Hình 1.14 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi

Vùng nghèo Trường tối thiểu cần

thiết để tác động ion hoá

Bảng 1.3 Các đặc tính của các photodiode thác APD

Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs

nhiễu toàn hệ thống và cho sự dao động ngẫu nhiên Nhiễu do dòng tối được xác

Chương 2

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

2.1 Giới thiệu chương

Phần dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một vài thông tin cần thiết để biết tại sao

Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) lại là một sự đổi mới quan trọng trong các mạng quang và những lợi ích mà nó có thể cung cấp Nhu cầu về băng thông do sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng do sự tăng trưởng mạnh của lưu lượng số liệu, đặc biệt là giao thức internet (IP) Cứ 6 ÷ 9 tháng dịch vụ cung cấp băng thông tăng gấp đôi trên mạng đường trục Lưu lượng Internet tăng 300% mỗi năm trong khi tốc độ tăng trưởng của lưu lượng thoại chỉ khoảng 13% mỗi năm Ở cùng một thời điểm giá trị lưu lượng mạng tăng cao, lưu lượng dữ liệu tự nhiên của nó là rất phức tạp Lưu lượng trên mạng đường trục có thể bắt nguồn dựa trên cơ sở mạch (fax và thoại TDM), cơ sở gói (IP), hoặc cơ sở tế bào (ATM và Frame Relay) Thêm vào đó, có một phần dữ liệu tăng nhạy cảm với trễ như thoại qua IP và luồng video

Hình 2.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian

Những sự lựa chọn trong viêc tăng băng thông, với thách thức tăng lên đột ngột của dung lượng mạng trong khi chi phí bị rằng buộc, các hãng truyền thông có hai sự lựa chọn lắp đặt sợi quang mới hoặc tăng hiệu quả băng thông của sợi có sẵn.Lắp đặt sợi mới là các phương pháp truyền thống được sử dụng với các hãng

truyền thông để mở rộng mạng của họ Tuy nhiên, triển khai sợi mới là rất tốn kém Chi phí lắp đặt sợi mới khoảng 70000 đô trên một dặm, mà chi phí này hầu hết là các chi phí giấy phép và xây dựng nhiều hơn là chi phí cho chính sợi quang Chỉ lắp đặt sợi mới khi cần phải mở rộng bao lấy mạng cơ sở

Tăng hiệu quả tăng tốc độ bit của các hệ thống có sẵn có thể thực hiện bằng hai cách, tăng tốc độ bit sử dụng TDM, dữ liệu thường được truyền ở tốc độ 2,5 Gbps và tăng đến 10 Gbps những kết quả gần đây đưa ra ở tốc độ 40 Gbps Tuy nhiên, các mạch điện tử muốn làm được điều này thì rất phức tạp và tốn kém, cả về mua sắm và bảo dưỡng Thêm nữa, có những vấn đề kỹ thuật quan trọng có thể làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này Ví dụ, truyền dẫn ở 10 Gbps qua sợi đơn mode (SM), bị ảnh hưởng bởi tán sắc màu nhiều hơn 16 lần tốc độ 2,5 Gbps Công suất truyền dẫn lớn hơn cũng yêu cầu tốc độ bit cao hơn, đưa hiệu ứng phi tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng dạng sóng Thêm nữa tán sắc mode phân cực tác động làm giới hạn khoảng cách xung ánh sáng có thể truyền Tăng số bước song, trong phương pháp này, nhiều bước sóng được kết hợp lại vào trong một sợi đơn

Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) với một vài bước sóng, hoặc màu sắc ánh sáng có thể ghép đồng thời mỗi tín hiệu 2,5 Gbps đến 40 Gbps trên một thành phần sợi Không phải lắp đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lượng của sợi sẵn có có thể tăng từ hệ số 16 or 32 Các hệ thống với 128 và 160 bước sóng được hoạt động ngày nay, với mật độ cao hơn

Ghép kênh phân chia theo bước sóng: WDM làm tăng dung lượng truyền của môi trường vật lý (sợi) sử dụng phương pháp hoàn toàn khác của TDM WDM gán các tín hiệu quang vào trong các tần số riêng của ánh sáng (các bước sóng hoặc các lam đa λ) bên trong một dải tần nào đó Bởi vì mỗi kênh được truyền ở một tần số khác nhau, nên chúng ta có thể lựa chọn chúng sử dụng một bộ điều hướng Một cách khác để nghĩ về WDM là mỗi kênh sẽ có một màu sắc ánh sáng khác nhau; một số kênh sau đó sẽ làm nên một “ cầu vồng ”

Hình 2.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM

Trong hệ thống WDM, mỗi một bước sóng được truyền trong sợi, và các tín hiệu được phân kênh ở đầu cuối thu Giống TDM, dung lượng kết quả là kết hợp của các tín hiệu đầu vào, nhưng WDM mang mỗi tín hiệu đầu vào độc lập khác nhau Điều này có nghĩa rằng mỗi kênh có băng thông của riêng mình; tất cả các tín hiệu đi đến ở cùng một thời điểm, hơn nữa không bị chia ra và mang vào mỗi khe thời gian

độ đáp ứng của mạch điện tử Sự chênh lệch giữa băng tần điện và băng tần quang gây ra hiện tượng nút cổ chai, do đó không thể tận dụng hết băng tần khổng lồ này Các bước đột phá mới đây (dung lượng cỡ Tb/s) là kết quả của sự kết hợp giữa WDM và EDFA

Khái niệm về WDM cũng tương tự như FDM, các tín hiệu mang tin khác nhau điều chế các tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và kết hợp rồi truyền đi trên một sợi quang Lăng kính và cách tử nhiễu xạ được dùng để kết hợp (ghép) hoặc phân chia (tách) các tín hiệu có màu (bước sóng) khác nhau