Hệ thống thông tin quang

iệc lựa chọn và tìm kiếm một môi trường ttruyền dẫn là điều rất cần thiết. Chúng ta đã và đang sử dụng một số loại hình truyền dẫn thông tin như : cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba… mỗi loại đều có những ưu điểm, nhược điểm riêng mà chúng ta khó có thể khác phục được. Với những ưu điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn ở các dạng thông tin cần thiết dưới dạng tín hiệu số, cự ly truyền thông tin đi được xa, không chịu ảnh hưởng của các nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin cao… hệ thông thông tin quang được coi là có nhiều tiềm năng phát triển nhất trong mạng viễn thông. Qua tìm hiểu về hệ thống thông tin quang, báo cáo thực tập tốt nghiệp này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống thông tin quang. Với điều kiện còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian thực hiện bài báo cáo, tìm hiểu về hệ thống thông tin quang một lĩnh vực hết sức rộng lớn không có nhiều. Chắc chắn trong bài viết của em không tránh khỏi những sai sót. Em mong rằng sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội để em có thể viết và có thể thực hiện trong đồ án hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Thành Công đã tận tình hướng dẫn em thực hiện bài báo cáo thực tập này với tất cả tấm lòng trân trọng nhất. Chương I : Giới thiệu về hệ thống thông tin quang Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng (1014 – 1015Hz). Các hệ thống thông tin quang thực nghiệm đầu tiên sử dụng không khí làm môi trường truyền dẫn. Những thực nghiệm ban đầu đã thu được những kết quả khá khả quan, nhưng do chi phí trong các khâu quá tốn kém, kinh phí tập trung trong việc sản xuất ra các thiết bị để vượt qua trở ngại về thời tiết (mưa, sương mù, tuyết…) là quá lớn. Do đó hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là không khí chỉ được ứng dụng trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học. Cũng trong thời kỳ này, người ta đã phát minh ra sợi dẫn quang và việc sử dụng sợi dẫn quang làm môi trường truyến dẫn, nhưng độ suy hao sợi quang lúc này là rất lớn khoảng 1000 db/km nên vẫn chưa được sử dụng trong thực tế. Năm 1966 Kao Hockman và Werts nhận thấy rằng suy hao của sợi quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu của sợi gây ra. Họ đã nhận định và cho rằng có thể làm giảm được độ suy hao của sợi và chắc chắn sẽ tồn tại một điểm nào đó của dải sóng truyền dẫn quang có độ suy hao nhỏ. Vào năm sau đó Kapton, Keck Mauser chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có độ suy hao 20 db/km và cuộc cách mạng thông tin sợi quang đã được mở ra. Từ đó các nhà nghiên cứu khoa học đã không ngừng cố gắng phát minh, các sợi quang dẫn có suy hao nhỏ lần lượt ra đời. Năm 1976, hệ thống thông tin quang lần đầu tiên được lắp đặt tại Atlanta (Mỹ) với cự ly lặp 10km, tốc độ 45 MbPs. Đầu năm 1980, các hệ thống thông tin tiện sợi quang được phổ biến với mức sóng làm việc 1300 nm. Ngày nay sợi quang đã đạt đến mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 db/km tại bước sóng 1550 nm. Giá trị suy hao đã gần đạt tới trị số lý thuyết cho các sợi đơn mode 0,14 db/km.. Đặc điểm thông tin quang Cùng với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn kim loại và không gian. Thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là sợi quang. ở đây tín hiệu được biến đổi thành ánh sáng và được truyến qua cáp sợi quang tới nơi nhận và được biến đổi trở thành tín hiệu ban đầu. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm so với các hệ thống sử dụng cáp đồng trục và vô tuyến do sử dụng đặc tính sau của cáp sợi quang. Suy hao truyền dẫn thấp (0,35 – 0,4 db/km ở bước sóng 1300 nm và 0,2 – 0,25 db/km ở bước sóng 1550 nm) Độ rộng băng thông lớn ( vào khoảng 15Thz ở bước sóng 1300 nm và 1500 nm) Kích thước nhỏ, trọng lượng thấp Không ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài Cách điện Kinh tế : nguyên liệu để sản xuất sợi quang là thạch anh dồi dào hơn nhiều so với kim loại, tiêu tốn vật liệu trên sản phẩm thấp Bên cạnh đó các linh kiên thu và phát sợi quang trong hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm. Có khả năng điều chế tốc độ cao nên ứng dụng rất hiệu quả trong truyền dẫn tốc độ cao và thông tin băng rộng Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao Khả năng phát xạ công suất quang lớn, máy thu có độ nhạy cao nên thông tin dài Các ưu điểm nổi bật nhất của phương thức thông tin quang so với các phương thức thông tin khác. Ưu điểm về dung lượng Ưu điểm về chất lượng tín hiệu Ưu điểm về điều kiện bảo dưỡng, tác động môi trường tuổi thọ Bên cạnh những ưu điểm ưu điểm cũng có một số nhược điểm sau: Đương kính sợi nhỏ, trọng lượng nhỏ dẫn đến khó đấu nối Cần có đường dây, các đương dây cấp nguồn cho tiếp phát Cần có phương thức chỉnh lõi mới (cáp) Tuy nhiên với những ưu điểm trên hệ thống thông tin quang coi là hệ thống triển vọng nhất trong mạng truyền thông tin và được áp dụng rộng rãi trên thực tế. Mạch điều khiển Nguồn phát quang Thông tin Các thiết bị khác Thu quang Mạch điện Phát quang Bộ nối quang Mối hàn sợi Trạm lặp Khuếch đại quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Bộ thu quang Khuếch đại Tín hiệu ra Sợi dẫn quang Hình : Các phần chính của tuyến truyền dẫn quang Bộ phát quang III. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang. Vai trò của kênh thông tin sợi quang là truyền dẫn những tín hiệu quang từ đầu phát qua bộ chuyển đổi tới kênh dẫn bằng ssợi quang đến đầu thu mà không bị méo dạng hoặc sai lệch. Như vậy các thiết bị đầu cuối quang đã có sự biến đổi tín hiệu điện thành tín thiệu quang và ngược lại. Hình vễ trên là cấu trúc của truyền thông tin quang. Các thành phần chính của một tuyến gồn có khối phát quang, cáp sợi quang và khối thu quang, trạm lặp. Khối phát quang: gồm có mạch điều khiển và nguồn sáng thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện vào thành các bức xạ quang để truyền đi. Các hệ thông thông tin quang hiện nay đang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng và tách sóng trực tiếp (IMĐ) Cáp sợi quang : gồm các sợi dẫn quang va lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trường bên ngoài Cáp sợi quang dùng để truyền ánh sáng Trạm lặp: do tín hiệu truyền dẫn trên đường truyền bị tiêu hao và méo nên sau một khoảng thời gian nhất định, phải có trạm lặp để khuyếch đại và tái sinh tín hiệu. Việc tái sinh tín hiệu quang hiện nay phải trải qua 3 bước + Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện + Sửa đổi dạng tín hiệu méo và tái sinh tín hiệu dưới dạng điện + Chuyển đổi tín hiệu điện đã tái sinh và khuyếch đại thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi Khối thu : gồm các bộ tách quang, bộ khuếch đại và khôi phục tín hiệu ở đầu thu, các tín hiệu quang được biến đổi thành các tín hiệu điện thông qua bộ tách sóng quang, sau đó được khuếch đại và giải mã trở lại tín hiệu ban đầu. Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin quang 1/ Sơ lược về nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang Nguyên lý cơ bản truyền ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường có triết suất khác nhau. Nó đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. n2 n1 a2 a1 Giả sử có một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 đến môi trường có chiết suất n2 (n2>n1) Tia tới hợp với pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trường góc a1, a2: góc khúc xạ hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến. Quan hệ của các góc a1,a2 với chiết suất n1,n2 theo định luật khúc xạ của Suchons: Tia sáng có xu hướng đi lệch về phía vùng có chiết suất lớn hơn. Khi tia tới đạt giá trị a giới hạn nào đó thì nó không vào môi trường thứ hai nữa mà tia khúc xạ chạy song song với mặt phaan cách (góc khúc xạ = 90°) Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn thì tia sáng sẽ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Độ lớn của agh sẽ phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường Muốn phản xạ toàn phần phải có hai điều kiện sau: Tia sáng từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Góc tới phải lớn hơn góc giới hạn. n2 Lớp vỏ n1 Lớp vỏ n2 n1 2/ Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI – MM (step index – multi mode) n0 jt j2 j2 Hình: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI – MM Các tia sáng đi từ nguồn bức xạ đi vào sợi quang qua môi trường không khí có chiết suất n0 = 1 tới lõi sợi có chiết suất n1>n0. Chùm tia sáng đi vào sợi gồm các tia tới khác nhau. Có tia đi dọc trục sợi, có tia khúc xạ tại miền giao tiếp giữa lõi và môi trường hướng về phía pháp tuyến. Góc của tia khúc xạ được xác định theo công thức: Trong đó n0, n1 biểu thị sự liên hệ chiết suất của môi trường không khí tương ứng với lõi sợi. Tia sáng đi vào trong sợi quang gựp mặt phân cách giữa lõi và vỏ với góc tới miền n2 với giá trị nào đó tới a gọi là góc tới hạn thì góc khúc xạ phải bằng p/2 để tia khúc xạ tại miền n2 trượt theo miền phân cách giữa lõi và vỏ. Góc tới hạn đó là góc at, góc thoả mãn hệ thức: sinat = n0/n1. Để có hiện tượng phản xá toàn phần tại miền phân cách giữa lõi và vỏ thì phải thoả mãn điều kiện sau: và a > at tia tới miền phân cách giữa lõi và vỏ sẽ đi ra ngoài vỏ nếu khi a1<at Tia phản xạ xuất hiện suốt theo chiều dài sợi cáp với điều kiện a<at. Đây là nguyên lý cơ bản truyền ánh sáng trong sợi quang. Sử dụng công thức 2.1 và 2.2 để tìn góc cức đại của tia từ môi trường với hệ trục toạ độ nằm trong lõi. Do a1 và a2 đều chỉ biến thiên trong khoảng từ 0 đến p/2 đây là khoảng hàm sin đồng biến vậy : a2 = p/2 - at thay vào (2.1) ta có Giống như một thấu kính hội tụ được hiểu như khẩu độ NA(nummetical appeture) của sợi n1ằn2 ta có được dạng rút gọn của NA như sau: Với Ta có thể thấy rằng đại lượng ∆ đặc trưng cho sự thay đổi chiết suất tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ, quyết định góc nhận tia sáng của sợi. Sự tăng ∆ có thể làm cho nhiều tia sáng đi vào sợi nhưng sẽ gây trở nhại cho thông tin quang bởi sự tán sắc giữa các mode. Do vậy ta cần phải chọn ∆ cho hợp lý. Sự tán sắc giữa các mode có thể được mô tả như sau: Một cách trực quan ta thấy trên hình 1.2 là các tia sáng song song với trục sợi sẽ đi một quang đường ngắn hơn các tia dích dắc do phải phản xạ liên tục tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ. Kết quả của việc này là các tia sáng được dưa vào lõi một cách đồng thời thì ở lưới xa có tia đến sớm và có tia đến muộn. Do vậy một xung ngắn ở lối vào thì ở lối ta không những bị nhoè mà còn bị giãn rộng ra. Nếu gọi độ dài của sợi là một thì tia sáng phải đi một quãng đường dài nhất là 1/sina tia đi ngắn nhất là tia dọc trục có độ dài là L. Với cùng vận tốc v = c/n ta thu được công thức sau (2.3) Trong đó Δt : Thời gian giữa hai tia ngắn nhất và dài nhất n1,n2: chiết suất lõi, vỏ c: Vận tốc ánh sáng c = 3.000.000.000 (trong chân không) ∆:chênh lệch chiết suất tương đối at : góc tới hạn Δt có ảnh hưởng lớn đến tốc độ bit B, để sung được tách biệt (không bị chồng lên nhau) thì Δt < TB (với TB = 1/B) Có Δt B.Δt < 1 Thay Δt ở công thức (2.3) ta có Công thức 2.4 cho phép ta đánh giá một cách sơ bộ sự giới hạn về tốc độ bít trong sợi Sicó a>>L 3/ Sự lan truyền ánh sáng trong sợi GI – MM (gradel – multi mode) Hình: quỹ đạo trong sợi GI –MM. Đặc điểm của sợi này là chiết suất của lõi sợi không phải là hằng số (const) mà thay đổi theo bán kính. Có giá trị n1 lớn nhất ở tâm lõi sợi tới giá trị n2 nhỏ nhất ở mặt phân cách giữa lõi vàvỏ. Trong khi đó chiết suất n2 của vỏ sợi là không thay đổi (n2 = const) tất cả các loại dây sợi này đều được chế tạo sao cho sự suy giảm gần với hàm bậc hai vàđược phân tích kỹ bằng cách dùng hệ số mặt cắt g a: Bán kính lõi Δ:Độ chênh lệch chiết suất tương đối g : Tham số mặt cắt Hệ số g xác định giá trị sự thay đổi của chiết suất theo mặt cắt ngang, sợi đơn mode có g lớn (≥10) nếu g = 2 ta được sợi có chiết suất Prabol. Sự tán sắc giữa các mode được gỉm bớt trong loại sợi có chiết suất thay đổi, được mô tả trên hình 1.3. Các tia xiên góc nhiều với trục có đường đi dài hơn các ria gần trục nhưng do chiết suất giảm dânf từ lõi ra vỏ nên vận tốc của tia sáng cũng tăng lên theo. Sự bù trừ này sẽ làm các tia thẳng trục vf các tia xiên có thời gian truyền tiến bằng nhau. Trong hình 1.3 ta thấy rõ ràng các tia dọc trục có đường đi ngắn nhất, nhưng lại có vạn tốc truyền bé nhất. Các tia khác có đường dài hơn nhưng vận tốc truyền lớn hơn. quang hình học có thể chỉ ra rằng g = 2 là tốt nhất để giảm tán sắc các mode, hay g = 2 là tối ưu. P : là tham số tán xạ mặt cắt Phương trình mô tả quỹ đạo của một tia gần trục như sau: Với r : khoảng cách từ tia tới trục z : số đo độ dài trục Như vậy khi có g = gopt thì độ lệch thời gian lớn nhất trên 1km là giảm nhỏ, đặt giá trị sau (phụ thuộc vào Δ) Việc tính toán ΔT cũng tương tự như sợi chiết suất bậc nhưng trong trường hợp này V khác const mà biến đổi theo bán kính Từ (2 – 7) và thay ΔT < 1/B ta có Ta thấy rằng giá trị BL ở trong công thức 2.9 lớn hơn rất nhiều so với BL trong (2- 4) Để đặc trưng cho khả năng ghép ánh sáng vào sợi, người ta định nghĩa biểu đồ không gian pha, biểu diễn quan hệ sin²θ với r² như trong hình vẽ 1.4 sau: Hình: Biểu đồ không gian pha của sợi GI (a) và SI (b) ánh sáng đưa vào sợi nằm trong bao của một hình chóp đều bao quanh trục, với góc mở là ±θ. Lúc đó r² và sin²θ tỷ lệ với diện tích của hình tròn phân bố tia sáng A=πr² và tỷ lệ với gó không gian Ω. 2Ω = 2л(1-cosθ) ≈ лsin²θ (2.10) Với sợi quang SI, chiết suất ruột n1 = const = n1(r), θmã = const do đó góc không gian lớn nhất cũng không đổi Ωmax = const Với sợi quang GI, vì có chiết suất lõi biến đổi nên: Biểu đồ không gian pha rấ có lợi cho việc tính toán công suất ánh sáng P từ một nguồn bức xak vào sợi quang. Với trường hợp đơn giản A = лr², 0 ≤ r ≤ a và 0 ≤ θ ≤ arc sin NA, thì ta sẽ tính được P = Na²л²NA² Với cùng giá trị a và NA thì công suất ánh sáng P được đưa vào sợi GI chỉ bằng a so với sợi SI – MM. Như vậy nhược điểm cần lưu ý của sợi GI là ánh sáng đưa vào mặt cắt của sợi trên một diện tích bức xạ nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ nhỏ hơn. 4/ Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI – SM (step index – single mode) Vấn đề cơ bản của quang học sóng để nô tả sự truyền sóng trong sợi đơn mode chiết suất bậc là do bán kính lõi sợi lớn hơn bước sóng cộng tác vài lần. Do đó khi dưa sóng quang vào sợi, nó không chỉ lan truyền theo các quy luật quang hình mà còn xảy ra hiện tượn giao thoa của hai sóng cùng lan truyền. Hai sóng cùng pha thì tăng cường lẫn nhau, ngược lại, thì làm suy yếu hoặc triệt tiêu nhau. Khái niệm về mode được hiểu rất rộng, có thể coi là sóng lan truyền hay các dạng sóng được phép lan truyền. Theo quan điểm truyền sóng, mode có thể được xen là một dạng sóng an truyền, sự phân bố cường độ trường trên mặt cắt của sợi riêng và có vận tốc lan truyền riêng. Người ta chỉ có thể đánh giá đặc tính đa mode hay đơn mode của sợi thông qua số mode được phép lan truyền. Số mode được phép lan truỳen phụ thuọc vào tỷ số của đường kính bsợi, bước sóng cộng tác λ và thể hiện qua tham số γ của sợi. Với điều khiện: bán kính của sợi Khi giảm tích số đường kính với độ mở AN hoặc tăng bước sóng λ thì sẽ giảm được γ đi vàđạt được yêu câu chỉ còn một mode được lan truyền. Để đạt được chế độ đơn mode thì γ phải nhỏ hơn giá trị tới hạn γg. Sợi có chiết suất bậc có γ ≤ γg = 2,405. Còn sợi có chiết suất giảm dần có γ ≤ 3,518 Sợi mode được xác định theo công thức sau: - Đối với sợi SI: M = γ²/4 - Đối với sợi GI: M = γ²g/2(2+g) ở sợi đơn mode vì chỉ có một mode lan truyền nên không lệch thời gian ở cuối sợi, không méo tín hiệu, do đó sợi vod bảng tần truyền dẫn rất lớn và cho phép truyền lượng thông tin rất lớn, đi xa hơn so với sợi đa mode. V/. Các nguyên nhân suy hao trong sợi quang. Suy hao trên sợi dẫn quang là một tham số quan trọng trong việc thiết kế hệ thông, và xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giưa nguồn phát quang với sợi quang và đầu thu quang cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Quá trình uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoàibản chất của sợi, do đó có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Suy hao sợi ( còn gọi là suy hao tín hiệu) được xác định: Trong đó α là hệ số suy hao hay suy hao trung bình (dB/km) Các sợi dẫn quang rthường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao và lúc đó PIN ≈ POUT và tương ứng α ≈ 0 dB/km Trong thưc tế, suy hao của sợi rất nhỏ, giá trị trung bình của suy hao sợi cho phép cự ly truỳên dẫn vài chục km ở tốc độ khá cao. 1/ Suy hao do hấp thu. Hấp thu do tạp chất kim loại: các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong những nguòn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu). Mangan (Mn), chronium (Ci), nikel (Ni) Mức độ hấp thụ của rừng loại tạpchất phụ thuộc vào nồng độ tạpchất và bước sóng ánh sáng truỳen qua nó: với nồng độ tạp chất ( 10-6) thì độ hấp thụ của vài tạp chất như hình vẽ sau: Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết và nồng độ tạp chất không quá 10-9 Sự hấp thụ của ion OH: Sự có mặt của các (OH)ˉ từ trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đăc biệt độ suy hao tăng vọt ở các ước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của ion OHˉ trong lõi sợi được giữ ở mức 10-9 để giảm độ hấp thụ của nó. Hình : Độ hấp thụ ion OH- (với nồng độ 10-6) Sự hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại : Ngay cả khi sợi quang được chế tạo bằng bạch kim có độ tinh khiết cao thì sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và hồng ngoại, độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang. Hình : Suy hao hấp thụ cực tím và hồng ngoại 2/ Suy hao do tán xạ Tán xạ Rayleigh : khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện gặp những chỗ không đồng nhất sẽ gây ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi như bọt khí, các vết nứt... khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng 1/10 bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng ánh sáng truyền qua hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác, thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang. 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 vỏ bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ và lúc đó tia sáng sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần. 3/ Tán xạ do sợi bị uốn cong Vi uốn cong : khi sợi quang bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phản xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là bước sóng dài Uốn cong : khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Dĩ nhiên không thể tránh khỏi được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đăt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tổi thiểu cho phép sự suy hao do uốn cong không đáng kể. Bán kính tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị, thông thường từ 30mm đến 50 mm Hình : Suy hao do uốn cong thay đổi theo R Dải thông của sợi dẫn quang Sợi quang cũng có thể được xem như một hệ thống tuyến tính có hàm truyền đạt Trong đó p1(tm) và p2(tm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang ở tần số (tm) Hàm truyền đạt thường được biểu diễn dưới dạng chuẩn hoá Trong đó H(0) là biên độ của hàm truyền đạt khi tần số điều chế fm = 0 Hz tức là không có điều chế Hình : Hàm truyền đạt của sợi quang Đường biểu diễn của hàm truyền đạt của sợi quang như trên hình vẽ. Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ được gọi là dải băng thông B của sợi quang Như vậy dải thông B là tần số điều chế mà tại đó vòng suất quang giảm 50% hay 3db Một cách tổng quát dải thông B của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và được tính theo công thức B = 0,44/D Trong đó : Dải thông B kích thước bằng GHz D độ tán sắc tổng cộng tính bằng (ns) Đôi khi người ta sử dụng thông số B1 là dải thông ứng với một đơn vị dài của sợi quang (Thường là 1Km). Đơn vị B1 là GHz.Km (hoặc MHz.km) Khi biết B1 và chiều dài L của sợi quang có thể tính được dải thông chung của sợi quang theo công thức : Trong đó thừa số y có giá trị 0,5 – 1 phụ thuộc vào chiều dài L của sợi nhưng trên thực tế y = 0,6 – 0,8 Vì độ tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng nên giải thông cũng thay đổi theo bước sóng sử dụng. Dải thông của sợi đơn mode thay đổi theo bước sóng và độ rộng của nguồn quang Hình: Dải thông của sợi đơn mode thay đổi theo bước sóng và độ rộng phổ của nguồn quang. Chương II : cáp sợi quang Đặc điểm yêu cầu kỹ thuật của cáp sợi quang Cũng như cáp kim loại, cáp sợi quang cũng có những yêu cầu, đặc điểm cần phải đáp ứng nhằm bảo đảm các yêu cầu sau: Không bị ảnh hưởng của nhiễu từ Không thấm nước, lọc nước Không ảnh hưởng của lực tác động cơ học như va chạm, lực kéo, lực nén, uốn cong... Tuổi thọ phải lâu dài, bền vững và ổn định khi nhiệt độ thay đổi nhất là ở nhiệt độ thấp Trọng lượng nhẹ, kích cỡ nhỏ thuận tiện khi vận chuyển, cất giữ và lắp đặt Phân loại cáp quang 1/ phân loại theo cấu trúc Cáp có cấu trúc cổ điển: cáp sợi quang hoặc nhóm sợi phân bố đối xứng theo hướng xoay chiều vòng đồng tâm Cáp có cấu trúc lõi tụ rãnh : các sợi và nhóm sợi được đặt trên rãnh, trên lõi cáp Cáp có cấu trúc băng dẹp gồm nhiều sợi quang được ghép trên một băng xếp chồng lên nhau Cáp có cấu trúc đặc biệt : do nhu cầu trong cáp có thể có các dãy kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo làm đường nghiệp vụ 2/ Phân loại theo mục đích sử dụng. Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạc, nông thôn Cáp dùng làm đường trung kế giữa các tổng đài Cáp đường dài 3/ Phân loại theo điều kiện lắp đặt Cáp chôn trực tiếp Cáp đặt trong ống Cáp thả dưới nước Cáp treo ngoài trời Cáp dùng trong nhà Cấu tạo sợi quang Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc. Tất cả những sợi quang sử dụng trong mạng viễn thông đều cấu tạo bằng thuỷ tinh tinh khiết, nhưng lớp vỏ và lõi sợi quang đều làm bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất khác nhau, tạo cho sợi quang thuộc tính của ống dẫn ánh sáng Để bảo vệ sợi quang tránh nhiễu tác dụng do bên ngoài gây lên, cho nên sợi quang cong được bọc thêm một vài lớp nữa Lớp phủ hay còn gọi là lớp vỏ thứ nhất (Primary coating) Lớp vỏ thứ 2 (Secondary coating) Lớp phủ Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước trên những vết nứt và giảm ảnh hưởng vì uốn cong. Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Vật liệu dùng làm lớp phủ có thể là Epvalylate, Polyurethaner Chiết suất của lớp phủ lớn hơn lớp bọc để loại bớt các tia sáng truyền đi trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra trên mặt giao tiếp giữa lớp bọc và lớp phủ Lớp vỏ (Secondary coating) Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. Cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau : Dạng ống đệm lỏng (loose butter) Dạng đệm khít (tight butter) Dạng băng tệp (Ribbon) Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng do đó sử dụng trong những điều kiện khác nhau. Hình : Cấu trúc sợi quang Phân loại sợi quang Tuỳ theo vật liệu chế tạo sợi, hàm chiết suất của lõi và số mode truyền trên sợi mà ta phân loại theo cách khác nhau Phân loại theo chỉ số chiết suất : Sợi có chiết suất bậc Sợi có chiết suất thay đổi Phân loại theo mode truyền: Sợi đơn mode Sợi đa mode Phân loại theo cấu trúc vật liệu: Sợi thuỷ tinh Sợi lõi thuỷ tinh vỏ chất dẻo Sợi thuỷ tinh nhiều thành phần Trong thực tế người ta phân biệt và ứng dụng 3 loại sau 1/ Sợi đa mode có chiết suất bậc SI – MM (Step Index – Multimode) Là loại sợi có chiết suất lõm n1 = const, loại này thường ít được sử dụng và suy hao lớn Đường kính lõi : 50μm ± 3 μm Đường kính vỏ : 125 μm ± 3 μm Hình : Sợi SI – MM và sự biến thiên của chiết suất theo bán kính sợi 2/ Sợi đa mode có chiết suất thay đổi theo hàm Gradient GI – MM (Graded Index – Multimode) Là loại sợi có chiết suất giảm dần từ lõi ra vỏ Đường kính lõi : 50μm ± 3 μm Đường kính vỏ : 125 μm ± 3 μm Loại này thường được dùng trong các tuyến cự ly ngắn và trung bình với tốc độ truyền khoảng vài chục mbit/s Hình : Sợi GI – MM và sự biến thiên chiết suất theo bán kính 3/ Sợi đơn mode có chiết suất bậc SI – MM (Step Index – Single Mode) Là loại sợi dây có chiết suất lõi n1 = const và n2 = const Đường kính lõi : 8 - 10μm Đường kính vỏ : 125μm ± 3μm. Loại sợi này thường được dùng trong các trục có tốc độ truyền lớn Hình : Sợi SI – MM và sự biến thiên chiết suất theo bán kính sợi ChươngIII : nguồn phát quang Tổng quát Nguồn phát quang trong hệ thống thông tin quang có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng, hay nói cách khác nó phát ra ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. Căn cứ vào đặc tính phát xạ ánh sáng trong hệ thống thông tin sợi quang thường sự dụng hai loại nguồn chính. Các laser (LD) Các mode phát quang (LED) Các laser là các nguồn ánh sáng dẫn kết hợp đẳng hướng, phù hợp với bán kính sử dụng mà chúng ta có thể hoạt động trong khoảng 800 – 900nm hoặc xung quanh 1300 và 1550 với độ rộng phổ khoảng 20 – 50nm và từ 40 đến 1000nm tương ứng với hai trường hợp trên Ưu điểm của các nguồn sáng bán dẫn là Kích thước nhỏ Công suất đủ lớn và dễ ghép vào sợi Tiêu thụ công suất thấp Laser bán dẫn Nguyên lý bức xạ của LED và LD Trong nguyên tử, khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn sẽ phải giải phóng ra một lượng năng lượng chênh lệch dưới dạng photon (ánh sáng) Điều kiện bức xạ của Laser ánh sáng là Phải là vật liệu bán dẫn suy dẫn Phải là dịch chuyển trực tiếp Phải tạo được nghịch đảo độ tích luỹ Diode phát quang : quá trình tái hợp điện tử – lỗ trống hay quá trình bức xạ là ngẫu nhiên, nên ánh sáng phát ra sẽ là ánh sáng không kết hợp và không có tính đẳng hướng Diode Laser : lợi dụng chiết suất của bán dẫn, người ta tạo ra bộ cộng hưởng quang bằng cách mài nhẵn hai đầu miếng tinh thể bán dẫn để tạo ra hai gương phản xạ và hệ số phản xạ của gương là : Với n là chiết suất của bán dẫn Độ dài trường cộng hưởng Lr bằng số nguyên lần bước sóng ánh sáng trong tinh thể để khi phản xạ tạo ra sóng đứng Với q = 1, 2, 3 ... n : chiết suất tinh thể Với Diode laser, khi dòng qua diode lớn hơn dòng qua ngưỡng (Ing), tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ hạt Hình (a) chưa có điện áp phân cực Hình (b) có điện áp phân cực Lúc này trong diode bắt đầu xảy ra hiện tượng bức xạ kích thích, một mode vừa sinh ra do một bức xạ ngẫu nhiên nào đó sẽ tương tác với điện tử đã kích thích dạng nằm trong dải dẫn làm điện tử nhảy về dạng hoá trị để tái hợp với lỗ trống và giải phóng Photon mới, các photon tiếp tục tương tác với điện tử ở dải dẫn kích thích phát xạ cảm ứng và số lượng photon tăng lên rất nhanh. Nhờ công suất ánh sáng sinh ra là ánh sáng kết hợp về không gian và thời gian so với bức xạ LED, LD cho phép vạch phổ bức xạ hẹp, công suất lớn độ mở của chùm ánh sáng bức xạ nhỏ, cho phép ghép vào sợi quang tốt hơn. 2/ LED Vì các LED bức xạ không đẳng hướng, nên khi khả năng ghép vào sợi quang kém. Người ta đã cải tiến nâng cao hiệu suất ghép bằng cách chế tạo ra 2 loại LED Diode bức xạ mặt : bức xạ ánh sáng theo phương vuông góc với tiếp giáp P – N Diode bức xạ cạnh : bức xạ ánh sáng trên một cạnh của mặt ngang. Mặt khác nếu thu hẹp được kích thước miền hoạt tính tại tiếp giáp P – N thì khả năng tập trung các phần tử tích điện để chúng ta tái hợp với nhau và phát ra ánh sáng trong miền đó, như vậy đồng thời sẽ tạo ra một lớp quang hẹp để tập trung các photon. Lớp P- AlGaAs có độ rộng dải cấm lớn tạo ra một hàng rào điện thế để chặn không cho điện di chuyển về phía cực P mà nằm lại trong miền hoạt tính là lớp P- AlGaAs Lớp P- AlGaAs cũng tạo ra một hàng rào điện thế không cho các lỗ trống di chuyển sang vùng N mà ta ở lại miền hoạt tính (P- AlGaAs). Khi LED làm việc, ta cần đưa điện áp dương vào miền P và điện áp âm vào miền N. ánh sáng sẽ phát ra do sự tái hợp của điện tử và lỗ trống. Hình trang 22 Để nâng cao hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang, người ta có áp dụng các biện pháp sau : Vì sợi quang có đường kính nhỏ (50μm - 70μm) nên người ta làm điện cực p có đường kính nhỏ khoảng 50μm để ánh sáng trong lớp (P- GaAs) bức xạ ở chỗ đối diện với sợi quang Dùng thấu kính để ghép thấu kính vào sợi quang Cắt sâu một lỗ vào lớp N – GaAs tạo ra một cửa sổ để dẫn sợi quang vào nhờ đó sợi quang tiếp xúc gần tới lớp P – GaAs phát xạ ánh sáng theo chùm nhỏ ở bên rìa miền hoạt tính Hình : loại diode phát xạ cạnh (ELED) Xuất phát từ nhu cầu trên người ta chế tạo ra các loại diode laser Diode laser có cấu trúc dị thể kép (DH – LD) Diode điều khiển nhờ chiết suất IGLD (Index Guided Laser Diode) Diode laser điều khiển nhờ hệ số khuyếch đại GGLD (Gain Guide Laser Diode) Ngoài ra căn cứ vào phổ bức xạ người ta chia ra hai loại diode laser là: Diode laser đa mode (MIMLD) : bề rộng phổ từ 2 – 5 nm Diode laser đơn mode (SMLD) : bề rộng phổ nhỏ hơn 1nm Diode đơn mode được dùng ở các hệ thống quang có tốc độ rất cao (tức bề rộng xung truyền dẫn rất hẹp) các hệ thống thông tin quang coherent, yêu cầu diode laser cộng tác ở chế độ một tần số và phải rất ổn định về tần số. Hiện nay có hai loại diode dơn mode Diode laser loại BH (builied heteros tructu._.