Thiết kế tuyến thông tin quang hà tĩnh thanh hóa ghép kênh theo bước sóng wdm

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

LỜI CẢM ƠN

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 01 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

ABSTRACT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 1

1.2 Hệ thống thông tin quang 3

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 5

1.4 Sợi quang 6

1.4.1 Sợi quang 6

1.4.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang 8

1.4.3 Phân loại sợi quang 10

1.4.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi 10

1.4.3.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ 11

1.4.3.3 Phân loại theo Mode lan truyền 12

1.4.3.4 Suy hao của sợi quang 14

1.4.3.5.Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 16

1.5 Thiết bị phát quang 19

1.5.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 19

1.5.2 Diode phát quang LED 20

1.5.3 Diode laser bán dẫn 21

1.5.4 Nhiễu trong nguồn phát laser 22

1.6 Thiết bị thu quang 23

1.6.1 Photodiode p-i-n 23

1.6.2 Photodiode thác APD 25

1.7 Nhiễu trong hệ thống thu quang 26

1.7.1 Nhiễu nhiệt 26

1.7.2 Nhiễu lượng tử 26

1.7.3 Nhiễu dòng tối 27

1.8 Kết luận chương 27

Chương 2.KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 28

2.1.Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 28

2.1.1 Giới thiệu chung 28

2.1.2 Định nghĩa 30

2.1.3 Phân loại hệ thống WDM 31

2.1.4 Đặc điểm của hệ thống WDM 32

2.2 Các linh kiện trong hệ thống WDM 33

2.2.1 Nguồn phát quang 33

2.2.2 Bộ thu quang 34

2.2.3 Bộ ghép/tách kênh bước sóng 34

2.2.4 Sợi quang 34

2.2.5 Bộ lọc 35

2.2.6 Bộ khuếch đại quang 37

2.2.7.Bộ chuyển mạch quang 39

2.2.7.1 Các bộ chuyển mạch đơn 39

2.2.7.2 Các khối chuyển mạch quang lớn 40

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống WDM 41

2.3.1 Xuyên kênh tuyến tính 42

2.3.2 Xuyên kênh phi tuyến 45

2.3.3.Các hiệu ứng phi tuyến 45

2.3.4 Tán sắc ánh sáng 48

2.4 Kết luận chương 49

Chương 3.THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG TP HÀ TĨNH - TP THANH HÓA SỬ DỤNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 50

3.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuyến thông tin quang 50

3.1.1 Xác định cự ly, tốc độ và bước sóng hoạt động 50

3.1.2 Lựa chọn thiết bị 50

3.2 Một số vấn đề trong thiết kế tuyến thông tin quang 52

3.2.1 Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 52

3.2.2 Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát 56

3.2.3 Suy hao - Quỹ công suất của hệ thống WDM 57

3.2.4 Tán sắc - Bù tán sắc 58

3.2.5 Hiệu ứng phi tuyến 60

3.3 Thiết kế, mô phỏng tuyến thông tin quang TP Hà Tĩnh- TP Thanh Hóa 61

3.3.1 Khảo sát địa hình và các thông số thiết kế tuyến 61

3.3.2 Phân tích bài toán 64

3.3.3 Tiến hành mô phỏng 65

3.3.4 Kết quả đạt được 67

3.4 Kết luận chương 74

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………77

i

621.382 MỞ 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, chúng tôi đã lựa

chọn làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế tuyến thông tin quang Hà Tĩnh -

Thanh Hóa ghép kênh theo bước sóng WDM”

Mục đích của đề tài

- Hiểu được vai trò của truyền dẫn quang trong hệ thống hiện nay

- Tìm hiểu được ky thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

- Các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng tuyến

- Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang Hà Tĩnh- Thanh Hóa ghép kênh theo bước sóng WDM

Nhiệm vụ thực hiện

Để thực hiện đề tài chúng tôi sẽ đi theo và thực hiện những nhiệm vụ chính sau: Tìm hiểu hệ thống thông tin quang, các thành phần của hệ thống tin quang, ưu điểm, nhược điểm Sau đó đi vào tìm hiểu kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM, các linh kiện sử dụng trong hệ thống WDM, ưu điểm nhược điểm, các nhân

ii

tố ảnh hưởng tới tuyến WDM và đưa ra giải pháp khắc phục Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang TP Hà Tĩnh- TP Thanh Hóa sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM với dung lượng 240Gbps

Phương pháp nghiên cứu

Để có tài liệu cho việc triển khai đề tài chúng tôi đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: tìm hiểu qua sách, trang mạng internet, diễn đàn, tìm hiểu các tuyến quang đang được sử dụng trong thực tế: các linh kiện, các phương pháp nâng cao chất lượng tuyến, công suất phát,…

Cấu trúc của bài đồ án, ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, tài liệu tham khảo Nội dung của đồ án được Trình bày trong ba chương:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Chương này trình bày các nội dung tổng quát về lịch sử phát triển, nguyên

lý truyền dẫn, các thành phần, thiết bị trong hệ thống thông tin sợi quang Qua

đó cũng thấy được ưu, nhược điểm của phương pháp truyền dẫn cáp sợi quang so với các phương pháp khác

Chương 2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Chương này nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM Đưa ra các ưu, nhược điểm, các yếu tố gây ảnh hưởng đến hệ thống Phân tích để hiểu được các thiết bị cần thiết cho một hệ thống như: nguồn phát, bộ thu, sợi quang,

bộ khuếch đại quang, bộ lọc quang, bộ chuyển mạch quang

Chương 3 Thiết kế, tính toán và mô phỏng tuyến thông tin quang TP Hà Tĩnh - TP Thanh Hóa ghép kênh theo bước sóng WDM

Trình bày các yếu tố gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống và các biện pháp hiệu quả nhằm khắc phục các yếu tố đó Từ đó đưa ra các tiêu chuẩn, giải pháp hiệu quả nhất sao cho tuyến quang được thiết kế đảm bảo chất lượng Thiết kế, tính toán thành công một tuyến thông tin quang WDM cự ly dài TP Hà Tĩnh- TP Thanh Hóa với tốc độ 240Gb/s

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

iii

TÓM 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 để thiết kế, tính toán nhằm tăng dung lượng và tốc độ cho hệ thống Chưa dừng lại ở đó, đồ án thiết kế, mô phỏng một tuyến thông tin quang Hà Tĩnh- Thanh Hóa 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 channels use, channel width, attenuation, dispersal, non-linear effect,…This basic suggests optimal solution, calculates to increase capacity and speed for system Not only that, project designing and simulation of information system Ha Tinh- Thanh Hoa we can recognize characteristics, specifications as well as this technology’s advantages, disadvantages to apply for actuality

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các tham số của một số loại sợi quang đơn mode(theo khuyến nghị

ITU - T, Rec.G.652, G.653 và G.655) 17

Bảng 1.2 Các đặc tính của các photodiode p-i-n 24

Bảng 1.3 Các đặc tính của các photodiode thác APD 26

Bảng 2.1 Cự li bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp 49

Bảng 3.1 Các thông số đặc trưng của nguồn LASER và LED 51

Bảng 3.2 Tần số trung tâm danh định 54

Bảng 3.3 Thông số tính toán cho tuyến 62

Bảng 3.4 Bảng bước sóng và tần số trung tâm danh định được sử dụng 64

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang ………3

Hình 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 5

Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể của sợi 7

Hình 1.4 Sợi cáp quang 7

Hình 1.5 Sự phản xạ, khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường 10

Hình 1.6 Ánh sáng trong sợi quang 10

Hình 1.7 Sự truyền ánh sáng trong sợi SI ……… 11

Hình 1.8 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI ……… 12

Hình 1.9 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode 13

Hình 1.10 Kích thước sợi đa mode 14

Hình 1.11 Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch 20

Hình 1.12 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng của photodiode p-i-n 24

Hình 1.13 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi 25

Hình 2.1 Tương quan giữa nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu 28

Hình 2.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 30

Hình 2.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng 31

Hình 2.4 Bộ khuếch đại EDFA 39

Hình 2.5 Dạng xung vào và ra do tán sắc 48

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tán sắc 49

Hình 3.1 Hệ thống thực nghiệm 10 Gbit/s sử dụng DCF tạo OAR 60

Hình 3.2.Vị trí của tuyến trên bản đồ (maps.google.com) 61

Hình 3.3 Khối phát quang 65

Hình 3.4 Khối truyền dẫn quang 66

Hình 3.5 Khối thu quang 66

Hình 3.6 Mô phỏng toàn bộ hệ thống 67

Hình 3.7 Phổ tín hiệu phát 68

Hình 3.8 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 1 68

Hình 3.9 Chất lượng tín hiệu của kênh 1 qua đồ thị mắt 69

Hình 3.10 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 2 69

vi

Hình 3.11 Chất lượng tín hiệu của kênh 2 qua đồ thị mắt 70

Hình 3.12 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 3 70

Hình 3.13 Chất lượng tín hiệu của kênh 3 qua đồ thị mắt 71

Hình 3.14 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 4 71

Hình 3.15 Chất lượng tín hiệu của kênh 4 qua đồ thị mắt 72

Hình 3.16 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 5 72

Hình 3.17 Chất lượng tín hiệu của kênh 5 qua đồ thị mắt 73

Hình 3.18 Chất lượng tín hiệu theo tham số BER của kênh 6 73

Hình 3.19 Chất lượng tín hiệu của kênh 6 qua đồ thị mắt 74

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền dẫn

không đồng bộ BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit

CPM Cross Phase Modulation Điều chế xuyên pha

DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg

DCF Dispersion Compensation

DD Direct Detection Bộ thu tách trực tiếp

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh

DSF Dispersion - Shifted Fiber Sợi quang đơn mode tán sắc

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

IM - DD Intensity Modulation - Direct

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

viii

Standardization Bureau

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

NRZ Non-Return to Zero Mã không trở về không

NZ - DSF Non - Zero Dispersion - Shifted

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

PDL Polarization Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PMD Polarization - Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

POF Plastic Optical Fiber Sợi quang chất dẻo

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại laser bán dẫn SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Ramam Scattering Tán xạ do bị kích thích Raman SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỷ lệ nén biên

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TIR Total Internal Reflection Hiện tượng phản xạ toàn phần

ix

Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử bước

sóng CPM Cross Phase Modulation Điều chế xuyên pha

1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1 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 :

- 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

- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ đã phát minh ra một hệ

- 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

- 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 tren 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

- Vào những năm 1985: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép dung tăng cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

- Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa Laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

- Năm 1996: Charles K.Kao và George Hockham thuộc thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp âm trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu Và họ cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều

Km

- 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

3

- 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

1.2 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 thì 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: bao gồm mạch điều khiển và nguồn quang có nhiệm vụ

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

- 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

5

Nguồn phát

Mạch điều khiển

Phát quang

Trạm lặp

Khuếch đại quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín hiệu

Khuếch đại

Bộ thu qquang

Hình 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có ưu điểm:

- Suy hao thấp: 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

Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu Điều này có nghĩa là tốc độ dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số của tín hiệu

- 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

6

thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

- Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp

- Tính an toàn: vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

- Tính bảo mật: 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

- Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video

Hệ thống thông tin quang có nhược điểm:

- Vấn đề biến đổi Điện- Quang: Trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành dạng sóng ánh sáng

- Dòn, dễ gãy: 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

1.4 Sợi quang

1.4.1 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

7

thủy tinh bao quanh lõi Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinh

có 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

Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể của sợi

- Sợi cáp quang được cấu tạo từ ba thành phần chính: 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

Jacket Buffer

Strength member

Primary Coating

Cladding Core

Lõi sợi

vỏ sợi

8

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 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)

1.4.2 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

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 sinθ1 = 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

10

Hình 1.5 Sự phản xạ, 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

1.4.3 Phân loại sợi quang

1.4.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi

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

1.4.3.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ

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

0

n(r)

Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc

(Vì  = C/n1 ở đây n1không đổi) mà đường dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới

12

hiện tượng :

Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, đây là hiện tượng tán sắc

Do có hiện tượng tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc

độ cao qua cự ly dài được

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

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần hình 1.8

Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

1.4.3.3 Phân loại theo Mode lan truyền

Theo Mode lan truyền, 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)

13

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:

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 1.9 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:

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:





14

+ 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 1.10 Kích thước sợi đa mode

1.4.3.4 Suy hao của sợi quang

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

15

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

- Suy hao do hấp thụ: Sự hấp thụ ánh sáng xảy ra do các nguyên nhân sau gây ra: suy 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: 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

16

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

+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng bị tán xạ Lúc đó 1 tia tới có nhiều tia phản xạ với nhiều góc phản xạ khác nhau

- Suy hao do bị uốn cong: bao gồm suy hao do vi uốn cong và do uốn cong + Suy hao do vi uốn cong: sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi củng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi qua những chỗ vi uốn cong đó Sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ

vi uốn cong nhất là về phía bước sóng dài

+ Suy hao do uốn cong: khi bị uốn cong với bán kính cong ngày càng nhỏ thì suy hao càng tăng

1.4.3.5.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

17

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, G.653 và G.655)

Các tham số Đơn vị

Giá trị chuẩn

Sai

số

Giá trị chuẩn

Sai

số

Giá trị chuẩn

Đủ nhỏ không gây ảnh hưởng

Đủ nhỏ không gây ảnh hưởng

19

λmin≤ λmax ≤ 1650nm

1.5.1 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- E1 được 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:

λ= c h

E2-E1 (1.6)

h = 6,625.10-34 js (hằng số Planck)

20

c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng

Bước sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo nên linh kiện phát quang Do đó bước sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất của vật liệu Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch được biểu diễn trên hình 1.11

Hình 1.11 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 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]

1.5.2 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

Hấp thụ

E2

Phát xạ tự phát

Phát xạ kích thích

21

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]

1.5.3 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

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Về cơ bản, cấu tạo của Laser gồm các đặc điểm sau:

- 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

22

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

1.5.4 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 cũng 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

23

- 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]

1.6 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)

1.6.1 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,

24

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 1.12)

Hình 1.12 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

25

1.6.2 Photodiode thác APD

ADP là bộ tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi và độ lợi này làm tăng đáp

ứng so với PIN

Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P+, π, P, N

- P+, N+ là hai lớp bán dẫn có 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 1.13 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi

Vùng nghèo Trường tối thiểu cần

thiết để tác động ion hoá

26

Bảng 1.3 Các đặc tính của các photodiode thác APD

Nhiễu nhiệt là nhiễu gây ra do điện trở tải của diode thu quang củng như trở

kháng đầu vào của bộ tiền khuếch đại

Nhiễu nhiệt It phụ thuộc vào nhiệt độ, bề rộng băng nhiễu và điện trở tải

theo công thức:

< It2 >= 4KT

R B (1.7) K= 1,38.10-23J/oK: hằng số Bolzman

T: nhiệt độ tuyệt đối, oK

27

1.7.3 Nhiễu dòng tối

Khi chưa có công suất quang đưa tới photodetector nhưng vẫn có một lượng dòng điện nhỏ chảy trong mạch Dòng này được gọi là dòng tối Nó phân phối đến nhiễu toàn hệ thống và cho sự dao động ngẫu nhiên Nhiễu do dòng tối

Chương 1 đã trình bày các nội dung tổng quát về lịch sử phát triển, nguyên

lý truyền dẫn, các thành phần, thiết bị trong hệ thống thông tin sợi quang Qua

đó cũng thấy được ưu, nhược điểm của phương pháp truyền dẫn cáp sợi quang so với các phương pháp khác Trong phạm vi đồ án sẽ nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ được trình bày ở chương 2