Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - Trung tâm thể thao

LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang được chế tạo từ sợi thuỷ tinh). Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hản các phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh – nó còn là phương tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình cũng như thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa... Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường... Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Trong phạm vi đồ án này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin quang và các bước triển khai moọt hệ thống thông tin quang. Đồ án nay gồm hai phần như sau: Phần I: Tổng quan về hệ thống quang. Chương I: Hệ thống thông tin quang. Chương II: Cấu tạo sợi quang. Chương III: Đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Chương IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện – quang và quang - điện. Chương V: Kỹ thuật ghép kênh quang. Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chương VI: Những vấn đề cơ bản trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin quang. Chương VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao. Mục đích của đồ án là nêu bật được nhứng điều quan trọng nhất trong một hệ thống thông tin quang và những yếu tố cần thiết để thiết kế một hệ thống thông tin quang. Tuy nhiên, để có được một kiến thức sâu rộng hơn về công nghệ truyền dẫn này phải có thời gian nghiên cứu và sự tích luỹ kiến thức hơn nữa. Đồ án này được thực hiện trông khoảng thời gian ngắn, do đó, không tránh khổi những hạn chế thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này. PHẦN I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG I HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG I.1. Thông tin sợi là gì? Sự truyền dẫn thông tin qua sợi quang được gọi là thông tin sợi quang. Có nghĩa là thông tin được chuyển thành tín hiệu ánh sáng sau đó được truyền trên sợi và tại bên thu sẽ nhận được tín hiệu quang đó biến đổi trở thành thông tin ban đầu. Như vậy: - Môi trường truyền dẫn thông tin quang là sợi quang. - Dạng tín hiệu truyền dẫn sợi là tín hiệu ánh sáng. I.2. Sơ đồ khối căn bản của một hệ thống truyền dẫn quang. Bộ xử lí Biến đổi E/O Bộ xử lí Sợi quang (OF) Nguồn Thu Hình I.1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn quang Biến đổi O/E O/E - Nguồn tín hiệu là các dạng thông tin thông thường thuộc tiếng nói, hình ảnh, số liệu... - Bộ xử lí: Xử lí nguồn tin tạo ra các tín hiệu đưa vào hệ truyền dẫn, có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. - Bộ biến đổi điện quang (E/O): biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu cường độ quang để phát đi. - Sợi quang (OF) : có vai trò như một kênh truyền dẫn, được dùng để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến. - Bộ biến đổi quang điện (O/E): là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tín hiệu điện. - Bộ xử lí : xử lí tín hiệu điện, biến đổi thông tin điện về dạng ban đầu. Nếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một hoặc hai trạm tiếp vận được gọi là trạm lặp (Repeater) có sơ đồ khối như sau: REPEATER Thu quang KĐ Sửa dạng Phát quang Hình I.2: Sơ đồ khối trạm lặp Tín hiệu quang Tín hiệu quang Sợi quang Sợi quang Trạm tiếp vận hay trạm lặp có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang lên và sửa lại dạng tín hiệu sau đó lại phát đi (tất cả quá trình trên đều làm ở dạng tín hiệu điện). Trạm lặp giúp cho bên thu thu tốt tín hiệu tránh lỗi do tán sắc. Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. Máy thu Nguồn sáng Mạch điện Tín hiệu điện đầu vào Máy phát Sợi dẫn Sợi quang Bộ chia quang Bộ nối Tín hiệu điện đầu ra Bộ khuyếch đại Tín hiệu điện Bộ ghép hoặc chia Bộ lặp Tới thiết bị khác Sợi dẫn Tín hiệu quang Máy phát quang Bộ tách sóng quang Khôi phục tín hiệu Mạch điều khiển Khuyếch đại quang Hình I.3: các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. Máy thu quang Phần phát quang: Được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện liên kết với nhau. Nguồn phát quang ở thiết bị có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hặc điốt lazer (LD) . Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với các tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện của đầu vào của thiết bị phát ở dạng số hoặc có đôi khi ở dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến cường độ ánh sáng. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến. Cáp sợi quang: Gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại của môi trường bên ngoài. Tương tự như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác, láp đặt với các điều kiện khác nhau. Chúng có thể được treo ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cống, thả dưới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét đến vài km. Tuy nhiên đôi khi thi công các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho cáp treo hoặc cáp trôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến cáp được lắp đặt. Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1310nm, 1550nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và được gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai, thứ ba tương ứng. Giá trị suy hao tối thiểu củae sợi quang đặc biệt đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/Km. Phần thu quang: Do bộ tách quang và các mạch tạo khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và bị méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi lại thành tín hệu điện. Các điốt quang kiểu thác(APD) và điốt quang (PIN) có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang. Cả hai loại đều có hiệu suất làm việc và có tốc độ truyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang sẽ quyết định nên bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách song quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất thu quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép các hệ thống; điều này tương tự như ở tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự. I.3. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang : Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại : - Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh nên là môi trường trung tính với ảnh hưởng của: nước, axít, kiềm... và là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện ngay cả khi lớp vỏ bọc bị hư hỏng thì nó vẫn truyền tin tốt. - Suy hao truyền dẫn thấp truyền nên truyền được tốc độ cao. Nó cho phép truyền dẫn băng rộng ở tần số lớn. Như vậy, nó cho dung lượng thông tin cao mà ít phải tăng số lượng cáp và cho phép đặt trạm lặp với khoảng cách lớn. - Không gây nhiễu ra bên ngoài cũng không gây xuyên âm giữa các sợi quang và cũng không bị ảnh hưởng của nhiễm điện từ nên nó cho chất lượng thông tin cao. - Có độ tin cậy cao nên nó đảm bảo yêu cầu về bảo mật thông tin. - Sợi được chế tạo từ những vật liệu có sẵn trong thiên nhiên cho nên giá thành của một hệ thống thì thấp hơn. Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ nên có ưu điểm lớn khi lắp đặt. I.4. Cơ sở của thông tin sợi quang: I.4.1. Đặc tính của ánh sáng : Chúng ta nghiên cứu tới đặc tính của ánh sáng vì nó giúp ta hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và sự phụ thuộc của nó vào môi trường truyền. Như ta đã biết, sóng điện từ có thể được xem như là sóng hoặc hạt photon và tính chất này nổi bật ở từng vùng. Người ta phân chia các vùng sóng theo thông số:Tần số : f (Hz), Bước sóng :l (m), Năng lượng photon: E (eV). Các thông số trên có mối quan hệ sau : c : Vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s ). h : Hằng số Planck (6,625.10-34J.s). - Phổ của sóng điện từ : được phân chia theo hai thông số là : tần số, bước sóng. Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại có bước sóng : 800 nm ¸1600 nm. + Đặc biệt có 2 bước sóng thông dụng:1300nm, 1550nm. - Chiết suất của một môi trường được trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy. n: Chiết suất của môi trường, không có đơn vị. n(không khí) = 1,00029; n(nước)= 1,333; n(thuỷ tinh) = 1,5. c: Vận tốc ánh sáng trong chân không (» 3.108 m/s). v: vận tốc áng sáng trong môi trường truyền đơn vị m/s. vì v £ c nên n ³ 1. Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong nó. Ví dụ chiết suất của thuỷ tinh 100% SiO2 thay đổi theo bước sóng: 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 1,43 n n 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 l(mm) Hình I.4: Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng Do nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra ánh sáng trong một khoảng hẹp bước sóng chứ không phải chỉ có một bước sóng . Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này gọi là vận tốc nhóm và chiết suất của môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm ng. - Hiện tượng phản xạ và khúc xạ: Khi tia sáng truyền từ môi trường I chiết suất n1 sang môi trường II có chiết suất n2 (n1 ¹ n2) thì tại mặt phân cách tia sáng phân tách thành 2 tia mới: + Một tia phản xạ lại môi trường I (Tia phản xạ). + Một tia khúc xạ sang môi trường II (Tia khúc xạ). Mặt phân cách hai môi trường Tới Phản xạ Khúc xạ b I(n1) II(n2) a a Hình I.5: Hiện tượng khúc xạ và phản xạ, khi tia khúc xạ gãy vè phía pháp tuyến. n1.Sin a = n2.Sin b Quan hệ của các góc tới, phản xạ, khúc xạ với các chiết suất n1,n2 theo định luật SNELL : a : Góc tới. b : Góc khúc xạ. Từ công thức SNELL ta thấy : + Nếu n1 b : tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến giống hình trên + Nếu n1>n2 thì a < b: tia khúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến hơn. Phản xạ Khúc xạ Tới Tới b aT I(n1) II(n2) Hình I.6: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ khi tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn. Nếu n1 > n2 thì khi tăng a, b cũng sẽ tăng theo, khi b = 90° ta có: aT: gọi là góc tới hạn Điều này có nghĩa là: tia khúc xạ sẽ đi là là với mặt phân cách hai môi trường. Nếu tăng tiếp a > aT với n1 > n2 khi đó không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Tới at I(n1) I(n2) Phản xạ a Hình I.7: Hiện tượng phản xạ toàn phần. * Muốn có sự phản xạ toàn phần: ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n1 > n2) và góc tới lớn hơn góc tới hạn. I.4.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang: Nguyên lý cơ bản của truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Vì thế, cấu trúc của sợi quang bao gồm một môi trường điện môi gọi là lõi, lõi này được bao quanh bằng vật liệu khác gọi là vỏ,vỏ có chiết suất khúc xạ thấp hơn so với lõi. n2 n1 Lớp bọc Lõi Hình I.8: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. CHƯƠNG II CẤU TẠO SỢI QUANG Sợi quang là một hình trụ trong suốt, mảnh dẫn ánh sáng bao gồm: hai chất liệu điện môi trong suốt khác nhau thường làm bằng thuỷ tinh hoặc nhựa. Một phần cho ánh sáng truyền trong đó gọi là sợi lõi (core), phần còn lại là lớp vỏ bọc bao quanh lõi (cladding). Nó được cấu tạo sao cho ánh sáng truyền dẫn trong sợi lõi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng toàn phần. Ánh sáng truyền qua sợi quang từ đầu phát tới đầu thu với suy hao sợi ở mức cho phép. II.1. Cấu trúc sợi quang. Hình II.1: Cấu trúc sợi quang. Lõi 9mm Lớp vỏ Lớp vỏ sơ cấp Lớp vỏ thứ cấp Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở tần số quang. Cấu trúc căn bản của có gồm một lõi hình trụ đặc được bao quanh bởi một lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi. Cả hai lớp này đều được làm bằng thuỷ tinh hoặc chất liệu dẻo trong suốt. Để tránh cọ trầy xước vỏ gây nên những vết nứt, chống lại sự xâm nhập của hơi nước và giảm ảnh hưởng vi uốn cong sợi quang thường được bọc thêm lớp vỏ bọc sơ cấp. Lớp vỏ thứ cấp có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác động cơ học vào sợi và sự thay đổi nhiệt độ, bảo vệ sợi không bị răn, lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ xát bề mặt. Lớp này thường có dạng ống đệm lỏng (loose buffer) hoặc dạng đệm khít (tight buffer). a dk dm L r Hình II.2: Các tham số của sợi quang. II.2. Các tham số của sợi quang: - Lõi dẫn quang đặc chiết suất n1. + Bán kính lõi: a, đường kính lõi: dk = 2a. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi chiết suất n2< n1. +Bán kính vỏ bọc đường kính : dm. - Khẩu độ số: NA (Numerical Aperture) Ánh sáng từ nguồn phát qua không khí hợp với trụ của lõi sợi quang một góc q gọi là góc đón ánh sáng. Góc này chỉ phụ thuộc vào chiết suất lõi và vỏ: Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn qmax Các tham số: n1, n2, a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang Độ lệch chiết suất lõi và vỏ: D n = n1- n2. Độ lệch chiết suất tương đối : Độ lệch chiết suất tương đối có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013. - Trong sợi quang chiết suất của vỏ gần như không đổi mà chỉ có chiết suất của lõi nói chung là thay đổi theo bán kính r(tính từ trục sợi ra) b a O a b r Hình II.3: Các dạng phân bố chiết suất n(r) rmax =n1 g =1 g =2 g ® II.3. Phân loại sợi quang: II.3.1 Theo cấu tạo: - Theo kích thước lõi và lớp vỏ bọc. - Vật liệu chế tạo sợi: sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo, ... - Theo sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. + Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc SI (Step -Index). + Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ gọi là sợi có chỉ số chiết suất giảm dần GI (Gradient Index). II.3.2 Theo đặc tính truyền dẫn: Trong thực tế, đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia ra sợi đơn mode, sợi đa mode vì trong đó cũng bao gồm sự khác biệt về cấu trúc của vỏ và lõi. Một 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 gọi là những Mode. II. 3.2.1 Sợi đa mode: (MM) - Đường kính lõi dK = 2a = 50mm. - Đường kính vỏ dm = 125 mm. - Độ lệnh chiết suất D = 1%. Thu Phát Vì đường kính lõi lớn dẫn tới việc ánh sáng ghép tới sợi tốt hơn được lấy từ nguồn. Công suất ánh sáng phát ra được đi theo nhiều hướng từ bên phát tới bên thu dẫn tới thời gian từ bên phát tới bên thu là khác nhau tạo ra sự sai lệnh ở bên thu. Lượng sai lệnh này gọi là tán sắc DT = T1 - T2 à càng đi xa tán sắc càng nhiều (DT ) và gây ra 2 hậu quả: + Không truyền được tốc độ cao. + Không đi được xa. Sợi đa mode (MM) có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. n1 50mm D=1% n2 Hình II.4: Sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc và chiết suất giảm dần II.3.2.2 Sợi đơn mode (SM). Sợi làm việc ở chế độ đơn mode à không cần kích thước lõi to. - Đường kính lõi 9 ¸ 10 nm. - Đường kính vỏ 125 nm. - Độ lệch chiết suất 0,3%. Vì chỉ có 1 mode truyền trong sợi nên tán sắc do nhiều đường truyền » 0. Sợi đơn mode là sợi có chiết suất nhảy bậc SI. Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode, đặc biệt ở bước sóng l = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode » 0 à dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Phát Thu Vì đường kính lõi của sợi đơn mode nhỏ à tia sáng đi trong sợi quang gần như là đi song song với đường trục của lõi aT = 90o. Thứ hai, việc ghép nguồn đầu sợi quang ở bên phát khó à đòi hỏi nguồn công suất phát quang Popt lớn. n2 D=0.3% 125mm 0.9mm n1 Hình II.5: Sợi đơn mode. Vì tán sắc nhỏ nên khắc phục được 2 nhược điểm chính của sợi đa mode. Tóm lại: Thực tế có 3 loại sợi quang thông dụng với các đặc tính sau: SM-SI MM-SI n 2 n 2 n1 MM-GI Hình II.6: Ánh sáng truyền trong các loại sợi quang. II.4 Hàn nối sợi quang: Khi sản xuất cáp quang được cuộn thành từng cuộn. Nếu muốn thông tin đi xa cuộn này cần phải được nối với nhau. Trong kỹ thuật thông tin quang, việc nối không không tốt sẽ gây nên tổn thất tín hiệu quang. Yêu cầu của việc hàn nối là tổn thất càng bé càng tốt (yêu cầu suy hao < 0,05 dB/mối hàn). Nguyên tắc, chỉ cần ghép 2 đầu sợi lại cho trục của 2 sợi trùng nhau để hàn nối lại. Muốn có mối hàn có trị số suy hao đạt yêu cầu thì việc chuẩn bị cực kỳ quan trọng. Thực tế có 3 phương pháp kết nối sợi quang. II.4.1 Phương pháp hàn dùng keo dán: - Phương pháp này hoàn toàn thủ công à thiếu chính xác à hiện nay gần như không dùng. II.4.2 Phương pháp hàn nóng chảy (sử dụng mày hàn). - Dùng hoá chất tẩy sạch 2 đầu cần nối (lớp bảo vệ). - Kẹp 2 đầu sợi trên bộ giá của mối hàn. - Điều chỉnh cho hai sợi tiến lại lẫn nhau vấn đề một khoảng cách từ 10 ¸ 20 mm (máy tự làm). - Điều chỉnh cho 2 sợi đồng trục, đồng tâm nhờ hệ thống điều chỉnh 3 chiều (máy tự làm). - Kiểm tra suy hao ngay tại mối nối để đặt sợi ở vị trí tốt nhất. - Phóng tia hồ quang à 2 đầu sợi nóng chảy à dính vào nhau. - Kiểm tra lại mối hàn xem có khuyết tật không. - Gia cố cơ học bảo vệ mối hàn. VD. Máy hàn S1475. Sợi cung cấp: MM 50/125; 62.5/125 SM 10/125. Suy hao trung bình: SM 0,038dB MM 0,030dB. Thời gian hoạt động: liên kết: 30s Làm nóng: 120 s (loại S922). Máy (gồm bộ chuyển đối AC/DC) : nặng 6,4 kg Kích thước: 170W x 160 x 190 H. Gá ép Hình II.7: Phương pháp hàn nóng chảy. Nhiệt độ hoạt động: -10oC ¸ 50oC Nhiệt độ giữ: - 30oC ¸60oC. Độ dài sợi cáp trần: tiêu chuẩn 10 mm Khả năng tiêu biểu của bộ dụng cụ: >60 mối hàn trong một chu trình. >30 mối hàn/ chu trình đốt nóng. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 60 50 40 30 20 10 0 n=100 AVG=0.038 dB a =0.024dB Hình II.8: Biểu diễn theo biểu đồ. II.4.3 Kết nối bằng connector: Người ta kết nối bằng conector hoá cáp quang nhiều lõi bằng cách sử dụng loại conector được tạo nên theo kiểu cài các jắc vào các lỗ jắc qua bộ gá ép có tính đàn hồi làm tăng cường tiếp xúc giữa chúng. Gá ép Hình II.8: Kết nối sử dụng loại MF Conector MF Sợi quang CHƯƠNG III ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng nó tác động vào toàn bộ quá trình truyền dẫn thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang. III.1. Suy hao tín hiệu: Là sự giảm dần theo cự ly của công suất quang truyền trên sợi. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, cho phép xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Sự biến thiên của nó theo quy luật hàm số mũ: Trong đó: P(o) là công suất ở đầu sợi (z=0). P(z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi. Pin = P(0) Pout = P(z) L a là hệ số suy hao (dB/km). Hệ số suy hao tín hiệu hay suy hao trung bình xác định bằng công thức: L : chiều dài sợi dẫn quang (km). Pin : công suất quan đầu vào (W). Pout : công suất quang đầu ra (W). III.1.1 Các nguyên nhân gây suy hao: - Do sự hấp thụ: + Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: trong thuỷ tinh mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và nồng độ bước sóng ánh sáng qua nó. à Cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết. 500 600 800 1200 1400 1600 l(nm) Hình III.1: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại 600 500 400 300 200 100 0 a(dB/km)) Cu Fe Mn 600 800 1000 1200 1400 1600 l(nm) Hình III.2: Độ hấp thụ của OH với nồng độ 10-6 a(dB/km) 3 2 1 0 + Sự hấp thụ của ion OH-: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt tăng vọt ở các bước sóng gần 950 nm, 124nm và 1400nm. Như vậy, độ ẩm cũng là nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Þ Trong chế tạo, nồng độ ion OH của lõi £ 10-9 để giảm sự hấp thụ của nó. + Sự hấp phụ bằng cực tím và hồng ngoại: nó tồn tại ngay cả khi ta đã chế tạo sợi quang từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao vì bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ này thay đổi theo bước sóng. Việc hấp thụ ở vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng bước sóng dài trong thông tin quang. 600 800 1000 1200 1400 1600 a(dB/km) l(mm) Hấp thụ cực tím Hấp thụ hồng ngoại 10 1 0,1 0,01 Hình III.3: Sự hấp thụ bằng tia cực tím và tia hồng ngoại. - Suy hao do tán xạ: + Tán xạ Rayleigh: xảy ra khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất về chiết suất do cách sắp xếp của các phân tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi như bọt không khí, các vết nứt,... Sự thay đổi mật độ các phân tử này ở những chỗ khác nhau cùng với các khuyết tật trong quá trình sản xuất sợi gây ra, tạo thành những nguồn điện để tán xạ. Khi ánh sáng truyền qua những chỗ này sẽ toả ra nhiều hướng làm suy giảm năng lượng của ánh sáng theo hướng cần truyền. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng. + Tán xạ giữa một phân cách lõi và vỏ không hoàn hảo: khi tia sáng đi qua những chỗ không hoàn hảo đó, sẽ bị tán xạ. Khi đó, một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc khác nhau. Những tia có góc tới nhỏ hơn góc tới hạn sẽ bị khúc xạ và suy hao. - Suy hao do sợi bị uốn cong + Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệnh trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong dẫn đến sự phân bố trường bị xáo trộn làm phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là về phía bước sóng dài. + Uốn cong: bán kính uốn cong càng nhỏ sự suy hao càng tăng. Vì vậy, yêu cầu trong quá trình chế tạo, lắp đặt giữ sao cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép. III.1.2 Đặc tuyến suy hao của sợi quang. Tuỳ theo từng sợi quang cụ thể mà ta có đặc tuyến suy hao khác nhau. Ta xét đặc tuyến của sợi đơn mode làm từ SiO2. Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 2 vùng bước sóng suy hao thấp gọi là cửa sổ suy hao - Cửa sổ thứ nhất ở l1= 1300 nm có a » 0,4 dB? km nghĩa là khi đi một quãng đường 50 km thì Pv/Pra = 100 lần. - Cửa sổ thứ hai ở l = 1550 mm có a »0,25 dB/km nghĩa là khi đi một quản đường 50 km thì Pv/Pra = 101,25 lần. Đây là 2 bước sóng được sử dụng nhiều nhất trong thông tin quang hiện nay. .7 .8 .9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 l(mm) Hình III.4: Đặc tuyến suy hao 5 4 3 2 1 .8 .5 .3 .2 .1 l(dB/km) SM MM-GI Đa mode chiết suất giảm không hoàn toàn Tán xạ Rayleigh III.2. Tán sắc (hay méo tín hiệu): Là hiện tượng tín hiệu khi đi qua sợi quang bị biến dạng. Nó làm méo dạng tín hiệu tượng tự và làm cho các xung bị chồng lấp trong tín hiệu số (do độ rộng xung bị dãn rộng ra ở đầu thu). Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đông thời. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu D, đơn vị giây (s) được xác định: Trong đó: Ti ,To : là độ rộng của xung vào và xung ra đơn vị là (s) hay ước số của nó. Tán sắc tổng cộng của sợi tuỳ thuộc vào độ dài sợi. Độ tán sắc qua mỗi km sợi được tính bằng tổng đơn vị: ns/km hoặc ps/km. Người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km ứng với nm bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị được tính là: ps/nm.km. HìnhIII.5: Dạng tín hiệu vào ra L P0 P0/2 P0 P0/2 P P Ti To III.2.1 Các nguyên nhân gây tán sắc: Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần của tán sắc. - Tán sắc mode (modal dispersion): do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode. Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi. Mỗi mode lại truyền với nhiều vận tốc nhóm khác nhau dẫn tới thời gian truyền khác nhau. Bản chất là do ảnh hưởng của nhiều đường truyền. - Tán sắc sắc thể (chromatic dispersion): do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm 1 khoảng bước sóng xác định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền cũng khác nhau. Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc chất liệu (material Dispersion) và tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion). + Tán sắc chất liệu: Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Đó là nguyên nhân của tán sắc chất liệu. + Tán sắc ống dẫn sóng: Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng. Sự phân bố này tạo nên sự tán sắc gây nên tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ và chỉ đáng chú ý đối với sợi đơn mode. Sợi đơn mode chỉ có tán sắc sắc thể. Tán sắc tổng cộng Tán sắc mode Tán sắc sắc thể Tán sắc vật liệu Tán sắc dẫn sóng Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức: Với : Dchr = Dmat + Dwg Trong đó Dt: độ tán sắc tổng cộng. Dmod: độ tán sắc sắc mode. Dchr: độ tán sắc sắc thể. Dmat: độ tán sắc chất liệu. Dwg: độ tán sắc ống dẫn sóng. D(ps/nm.km) d chr =dmat + dwg dmat dwg l(nm) 20 10 0 -10 -20 Hình III.6: Đặc tuyến tán săcá của sợi dẫn quang đơn mode. III.2.2. Đặc tuyến tán sắc của sợi dẫn quang đơn mode. III.2.3 Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn. Tán sắc gây ra méo tín hiệu làm cho các xung ánh sáng bị dãn rộng ra khi truyền dọc theo sợi dẫn quang. Khi xung bị dãn nó sẽ phủ chờm lên các xung kề nhau. Nếu sự phủ chờm này vượt quá một giá trị nào đó thì thiết bị phía thu không còn phân biệt được các xung kề nhau nữa, lúc này xuất hiện lỗi. Như vậy đặc tính tán sắc sẽ xác định giới hạn dung lượng truyền dẫn của sợi quang. Dung lượng đối với sợi dẫn quang được xác định bằng “tích tăng dần - cự ly” đơn vị là MHz.km. Đối với từng loại sợi khác nhau thì giới hạn dung lượng truyền dẫn cũng khác nhau sợi da mode chiết suất phân bậc nhỏ hơn sợi gradien. Sợi đơn mode trội hơn hẳn so với 2 loại trên. Sợi đơn mode có dung lượng phụ thuộc nhiều vào độ rộng phổ của nguồn phát. VD: Nguồn phát Sợi đơn mode sợi đa mode Bước sóng Loại l(mm) Lý thuyết Ghz.km Thực tế Ghz.km Lý thuyết GHz.km Thực tế GHz.km 1300mm Laser 1,5 120 92 13 6,7 Bảng III.1. * Băng tần có thể lớn hơn1000GHz nếu làm việc ở bước sóng tán sắc bằng không. III.2.4 Độ tán sắc của một vài sợi đặc biệt: 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 .9 1.0 1.1 1.2 1.4 1.5 1.6 l(mm) Dmat (ps/nm.km) 1. Sợi G652 (loại bình thường) 2. Sợi san bằng tán sắc 3. Sợi G653 (sợi dịch tán) 1 2 3 Hình 3.7: Độ tán sắc của một vài sợi đặc biệt. Vì độ suy hao ở bước sóng 1550nm chỉ bằng một nửa suy hao ở bước sóng 1300nm. Nên đối với tuyến thông tin quang đường dài, người ta hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc của sợi G652 tại bước sóng này lại lớn (bằng 18 dB). Vì vậy, để giải toả trở ngại này người ta làm theo hai cách: - Giảm bề rộng phổ của nguồn để giảm tán sắc chất liệu. - Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550nm nên người ta tạo ra sợi dịch tán sắc và tại 1550nm thì tán sắc chất liệu triệt tiêu với tán sắc ống dẫn sóng. Sợi san bằng tán sắc: là sợi có tán sắc nhỏ trong 1 khoảng bước sóng. Vì vậy, dung lượng của sợi có thể tăng bằng cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi. * Kết luận: Tán sắc chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào độ rộng phổ bức xạ của nguồn phát quang (LED,LD). Tán sắc ống dẫn sóng không đáng kể đối với sợi đa mode. Sợi SI có tán sắc mode lớn nhất. Tán sắc chất liệu có ảnh hưởng lớn tới sợi GI nhưng tuỳ loại vật liệu mà có điểm tán sắc bằng 0. Trong sợi đơn mode người ta có thể sử dụng tán sắc ống dẫn sóng để bù trừ ảnh hưởng của tán sắc chất liệu tại các vùng bước sóng công tác phù hợp. Do đó, sợi sẽ có độ rộng băng truyền rất lớn. Chương IV linh kiện bán dẫn biến đổi điện - quang quang - điện Các linh kiện sử dụng trong thông tin quang là linh kiện bán dẫn.Chất bán dẫn đều có 2 mức năng lượng của điện tử chia làm 3 vùng: +Vùng dẫn điện (Conduction band ): Ec. + Vùng cấm (Band gap of Energy gop ) : Eg. + Vùng hoá trị (Valence band ) : Ev. Ec Eg Ev Hình IV.1: Mức năng lượng và các năng lượng. E x IV.1. Nguyên lí hoạt động chung : Các linh kiện hoạt động dựa trên 3 hiện tượng sau : * Khi có một photon bức xạ vào chất bán dẫn cung cấp một năng lượng (E =h.Ö) cho một điện tử ở trong vùng hoá trị (vùng có năng lượng thấp) thì điện tử chuyển lên vùng dẫn ( vùng có mức năng lượng cao hơn ) đồng thời để lại một lỗ trống và photon biến mất. Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ được ứng dụng trong các photodiode làm linh kiện tách sóng quang. * Nếu số điện tử ở vùng dẫn nhiều hơn mức cân bằng thì nó sẽ rơi xuống vùng hóa trị để kết hợp với lỗ trống. Trong quá trình chuyển mức năng lượng từ cao xuống thấp, mức năng lượng chênh lệch được bức ra dưới dạng photon. Hiện tượng này gọi là sự phát xạ tự phát được ứng dụng trong diode phát LED. * Khi các photon phát ra trong quá trình tái hợp điện tử và ._.lỗ trống lại kích thích các điện tử đang có mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra những photon mới.. Hiện tượng này gọi là sự phát xạ kích thích và được ứng dụng trong các LARES DIODE làm nguồn phát. Ánh sáng phát ra trong quá trình này có cùng pha và bước sóng. · · · hn hn hn hn: phô ton · : điện tử m: lỗ trống Hấp phụ Phát xạ tự phát phát xạ kích thích Hình IV.2: Nguyên lý hoạt động chung của các linh kiện bán dẫn. IV.2.Diode phát quang: IV.2.1.Yêu cầu kĩ thuật : - Bước sóng ánh sáng phát ra phải phù hợp với bước sóng ánh sáng truyền trên sợi sao cho ở mức độ suy hao nhỏ. Thường là: 1300nm, 1550nm. - Công suất phát là một yếu tố chính quyết định cự ly thông tin. Công suất phát càng lớn thì cự ly thông tin đi càng xa (khoảng cách trạm lặp lớn). - Độ rộng phổ (Dl): thực tế khi phát ra không chỉ có một bước sóng duy nhất mà gồm một khoảng bước sóng Dl. Nếu Dl càng lớn thì độ tán sắc chất liệu càng lớn làm hạn chế dải thông của tuyến truyền dẫn quang.Vì vậy, độ rộng phổ của nguồn quang Dl càng hẹp càng tốt. - Góc phát ánh sáng: càng hẹp càng tốt vì như vậy sẽ tập chung được năng lượng quang vào lõi vì đường kính lõi của sợi quang rất nhỏ. - Thời gian chuyển (Rise time) từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang của nguồn quang càng nhanh càng tốt. - Vì công suất quang phụ thuộc ít nhiều vào nhiệt độ môi trường, thời gian sử dụng....Để đảm bảo độ trung thực của tin tức thì công suất phát do nguồn quang phát ra càng ổn định càng tốt, thời gian sử dụng lâu. 20OC 50OC 20OC T 50OC T P P LED I LD I Hình IV.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đặc tuyến bức xạ - Độ ổn định nhiệt: khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất bức xạ của LED và LD giảm. IV.2.2 Phân loại nguồn phát quang: Hiện nay trong thông tin quang người ta đã chế tạo ra các loại nguồn quang là: - LED:Light_Emitting Diode. - LD: Laser Diode. Chúng có cấu tạo là những chất bán dẫn thuần (Si, Ge) có pha thêm vào nó một chất bán dẫn khác với tỷ lệ thấp tạo ra bán dẫn tạp: Một loại thừa lỗ trống P và loại khác thừa điện tử gọi là N. Hai loại này được ghép sát vào nhau tạo ra tiếp giáp PN. Khi ghép sát nhau, lỗ trống và điện tử khuyếch tán sang nhau tạo ra một điện trường tiếp xúc gọi là vùng nghèo. LD và LED có cấu trúc là một khối gồm nhiều thành phần chất bán dẫn xếp chồng lên nhau (gọi là dị thể kép) tạo thành ba lớp: + Lớp tiếp xúc : tạo ra cực để nối với nguồn bên ngoài. + Lớp hạn chế: Chọn sao cho nồng độ e và p cao trong miền hoạt tính + Lớp hoạt tính: Nơi phát ra photon. IV.2.2.1 Diode phát quang LED: Là 1 dị thể kép được dùng làm nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống thống tin quang tốc độ thấp, cự li ngắn. Led có 2 loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang là cấu trúc phát mặt GaAs và cấu trúc phát cạnh. SiO2 SiO2 Phiến toả nhệt Vật liệu bao phủ Sợi quang Kim loại hoá Cấu trúc dị thể kép Hình IV.4: Cấu trúc của LED tiếp xúc. - Với cấu trúc phát mặt thì sợi quang được gắn ở mặt của LED loại này có cấu trúc đơn giản với lớp nền loại N và lớp phát loại P. Ở mặt ngoài lớp P phủ 1 lớp chống phản xạ để ghép với sợi quang. Khi các điện tử và lỗ trống khuyếch tán sang P và N gặp hàng dào điện thế và dừng lại trong lớp hoạt tính. Ở đây có các cặp lỗ trống-điện tử nên chúng tái hợp phát ra ánh sáng (ánh sáng phát ra của các loại LED này không kết hợp thành tia mạnh, không định hướng nên công suất vào sợi thấp. Ánh sáng ở đây là dạng phát xạ tự phát). Chất nền - Với cấu trúc phát cạnh ELED (Edge LED) có điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kín mặt trên và đáy làm cho ánh sáng không phát ra 2 mặt mà bị giữ lại trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp này rất mỏng, có chiết suất lớn được kẹt giữa 2 lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành nên một kênh dẫn sóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi đồng thời chính cấu trúc này có ưu điểm là vùng phát xạ hẹp và góc phát sáng nhỏ nhờ đó hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao ánh sáng có tính định hướng hơn Led phát mặt. Tuy nhiên nó có một hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của nó tăng khá cao đòi hỏi phải có giải nhiệt. Giải tiếp xúc Kim loại SiO2 cách điện Miền hoạt tính Toả nhiệt nhiệt Chất nền Lớp dẫn ánh sáng Hình IV.5: Cấu trúc của ELED. + Đặc tính tiêu biểu của ELED: Công suất phát ra với sợi SM (250C, dòng điều khiển 150mA ): 2¸10mW Thời gian lên/xuống (risetime): 3ns max Độ rộng phổ nửa công suất: 80¸100nm Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra: 1,2% 0C Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ: 0,5 ¸0,8nm/ 0C Độ dãn phổ: 0,4 nm/ 0C * Đặc tính kỹ thuật của LED - Dòng điện hoạt động: 50mA ¸ 30mA - Điện áp sụt trên LED: 1.5 ¸ 2.5V - Công suất phát quang : 1¸ 3mW. Đối với loại phát sáng cao có thể là 10mW. Các LED phát mặt có công suất phát cao hơn LED phát rìa với cùng dòng điện kích thích. ELED LED phát mặt P(mW) 100 300 500 I(mA) Hình IV.6: Đặc tuyến công suất phát của LED và ELED 0O 30O 120O 1 0,5 Công suất tương đối 900 900 Góc phát Hình IV.7 - Góc phát quang: được xác định ở mức công suất phát giảm 3 dB so với mức cực đại. Pg: Công suất ghép vào sợi Pp: Công suất phát tổng cộng - Hiệu suất ghép: Hiệu suất ghép: LED phát mặt 1¸5%, ELED phát cạnh 5¸15%. Từ đó thấy tuy công suất phát của LED phát mặt cao hơn LED phát rìa nhưng công suất ghép vào sợi quang của LED phát rìa lại lớn hơn khoảng hai lần. - Độ rộng phổ: Thông thường trong khoảng 35 ¸ 100nm. Dl l(nm) 800 850 900 40nm 1 0,5 0 P tương đối Hình IV.8: Độ rộng phổ của LED - Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì công suất giảm tuy nhiên mức ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED không cao. l = 1300nm và 1550 nm : Độ ảnh hưởng 2% ¸ 4%/ 0C. IV.2.2.2 Diốt laser (LD): Jf P P N Tiếp giáp PN Oxit cách điện Dòng laser Nguyên lý cấu tạo LASER bán dẫn Hoạt động theo nguyên tắc phát xạ kích thích. Có cấu tạo gần giống với ELED. Điểm khác biệt cơ bản là trong laser có 2 mặt phản xạ ở 2 đầu tạo ra hốc cộng hưởng bị phản xạ lại qua hai mặt. Trong quá trình di chuyển dọc theo hốc ánh sáng kích thích các phản xạ đồng thời kích thích các điện tử và lỗ trống để phát ra các photon mới. Ánh sáng phát ra theo phương khác bị suy hao dần chỉ có ánh sáng phát ra theo chiều dọc được khuyếch đại. Mặt sau được phủ một lớp phản xạ mặt còn mặt trước được cắt nhẵn để một phần ánh sáng phần còn một phần chiếu ra ngoài. Có rất nhều loại laser nhưng ta chỉ ngiên cứu 3 loại sau: - LASER FP: Fabry - Perot (bộ cộng hưởng quang) được chế tạo theo nguyên lý bộ cộng hưởng quang có lớp kích thích kẹp giữa 2 lớp chất bán dẫn P,N. Khi có 1 photon bức xạ vào giữa 2 lớp. Một nguyên tử bị kích thích sẽ dao động và lan truyền đập vào nguyên tử khác làm nguyên tử khác cũng dao động và cứ như vậy. Nhờ gương phản xạ một phần ở 1 đầu laser mà ánh sáng được lấy ra phần lớn. Gương còn lại của bộ cộng hưởng là gương phản xạ toàn phần (100%). Hai gương này tạo thành bộ cộng hưởng quang. Khoảng cách 2 gương là: Loại LASER FP ít được dùng do LASER BH và DFB có những ưu việt hơn. LASER - FP có đặc tính chọn lọc tần số. Chỉ có ánh sáng của bước sóng nào có thể tạo ra trong hốc cộng hưởng một sóng đứng thì mới giữ nguyên pha, để tạo ra phản ứng dây truyền chỉ phản xạ kích thích. - LASER BH (Burried Heteroustructure): có cấu trúc dị thể kép chôn là một trong laser điều khiển chiết suất (IGL - index guided laser) tức là sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của vật liệu khác nhau trong cấu trúc sẽ điều khiển các mode bên trong laser. Nó tạo ra trong miền hoạt tính 1 ống dẫn quang, ống có chiết suất cao hơn lớp bao làm cho năng lượng không bị rò ra bên ngoài miền hoạt tính. Loại này chỉ làm việc chế độ đơn mode. Vùng phát ánh sáng có phổ rất hẹp Dl = 2 ¸ 3 nm cộng vớì vùng phát sóng 2mm x 0,2 mm nên hiệu suất ghép ánh sáng cao. Lớp N Lớp N Lớp N Lớp P Tiếp xúc P Cách điện SiO2 Lớp tích cực Lớp P Tiếp xúc N Hình IV.9: Cấu trúc LASER BH - Diode laser loại phản hồi phân bố DFB (Distributed Feedback) Bản thân diode laser BH tuy làm việc ở chế độ công tác đơn mode nhưng bề rộng phổ vẫn còn lớn (2 ¸ 3nm) gây méo tín hiệu do tán xạ vật liệu khi truyền trên sợi quang vì thế cần có 1 loại khác đó là DFB với Dl £ 0.1 nm Nó cho phép sử dụng trong hệ thống có tốc độ cao và cự ly khoảng lặp lớn. DFB sử dụng nguyên lý tán xạ nội bộ để tạo ra cơ chế hồi tiếp phân bố nhưng có tính chọn lọc tần số. Do đó gần như chỉ có một bước sóng cộng hưởng được khuyếch đại tạo ra bức xạ đơn mode. Nó không sử dụng các bộ gương cộng hưởng quang mà thay vào đó là tạo ra các cấu trúc có chu kỳ gọi là bộ phản xạ chọn lọc theo tần số. Đặc tính kỹ thuật: - Công suất phát 1 ¸ 10 mW hiện nay lên tới 50mW. - Góc phát sáng quang theo phương ngang của lớp tích cực trong khoảng 5 ¸ 100, theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lên tới 400. - Hiệu suất ghép: Laser có vùng phát sáng nhỏ, góc phát hẹp nên có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao.Trung bình hiệu suất ghép trong khoảng: 30% ¸ 40% với sợi đơn mode SM. 60% ¸ 90% với sợi đa mode MM. Để tăng hiệu suất ghép sử dụng thêm thấu kính hội tụ đặt giữa nguồn và sợi. - Đặc tuyến bức xạ: Led Chế độ Led LD I I ngưỡng I P P Hình IV.10: Đặc tuyến bức xạ. + Ingưỡng: 10 ¸ 20mA. + Điện áp sụt trên Laser: 1.5V ¸2,5V. - Độ rộng phổ phát xạ của laser: là đặc tuyến tổng hợp khuyếch đại (do bề rộng khe năng lượng thay đổi)và đặc tuyến chọn lọc hốc cộng hưởng quang (phụ thuộc vào chiều dài hốc). So với LED phổ phát xạ của LASER rất hẹp. LED : Dl = 35 ¸ 100nm. LD : Dl = 1 ¸ 4nm. l0 l(nm) l0=1550nm l(nm) P P 0 -3 -25 0 -3 HìnhIV.11: Phổ phát xạ. LED LD Đối với Laser hồi tiếp phân bố DFB gần như chỉ có một bước sóng được cộng hưởng và khuếch đại nên phổ của DFB rất hẹp khoảng 0,1 ¸0,2nm. - Thời gian để công suất quang tăng từ 10 % ¸ 90% mức công suất xác lập của Laser rất nhanh so với LED, thông thường không quá 1ns. Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngưỡng của Laser thay đổi làm cho công suất phát thay đổi nếu giữ nguyên dòng điện kích thích. Khi nhiệt độ tăng thì dòng ngưỡng cũng tăng theo dạng hàm mũ của sự gia tăng nhiệt độ. Trung bình độ gia tăng dòng ngưỡng vào khoảng +1%/0C. Ngoài ra, khi nhiệt độ thay đổi thì công suất phát ra cũng thay đổi nhưng ở mức độ ảnh hưởng rất thấp. Hình IV.12: Sơ đồ modul của một bộ phát LASER Sợi quang Mạch điều khiển tia Laser Bộ dò mặt sau Laser Cảm biến Sợi quang nhiệt Tản nhiệt IV.3. Thu quang: IV.3.1 Yêu cầu kỹ thuật : Các máy thu phải thoả mãn yêu cầu cao về chất lượng truyền dẫn -> các diode phải có nhiều đặc tính tốt : - Có hiệu suất lượng tử cao: + nph : Số lượng photon hấp thụ. + ne : Số điện tử tách ra. - Đáp ứng quang điện R lớn Trong đó: Ie = Số điện tử sinh ra x Điện tích hạt. Pph = Số photon hấp thụ x Năng lượng photon - Tạp âm (được thể hiện dưới dạng dòng diện tạp âm) nhỏ. Tạp âm = tạp âm nhiệt + tạp âm lượng tử + tạp âm dòng tối. + Tạp âm nhiệt: do diện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại gây ra. + Tạp âm lượng tử: do biến động ngẫu nhiên năng lượng của các photon đập vào diode thu quang. + Dòng diện nhiễu do các diode thu quang phát ra khi không có ánh sáng chiếu vào cũng gây nên tạp âm, và dược gọi là tạp âm dòng tối. Độ nhạy (là mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện quang có thể thu được với một tỉ số lỗi nhất định) càng cao càng tốt (tỷ số BER < 1010) . - Dải động: là khoảng chênh lệch giữa mức công suất cao nhất và mức công suất thấp nhất mà linh kiện có thể thu được trong giới hạn lỗi nhất định. IV.3.2 Phân loại: Trong kỹ thuật thông tin quang hiện nay sử dụng hai loại cơ bản là diode PIN và diode APD. IV.3.2.1 Diode PIN: Cấu tạo gồm 3 lớp P,I,N trong đó lớp I (Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp. Quá trình thu photon và tách điện tử xảy ra ở lớp I. Khi lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao nhưng thời gian trôi điện tử thấp. Điều này làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ cao của PIN. Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng. Ánh sáng có bước sóng càng dài thì khả năng thâm nhập vào bán dẫn càng lớn Trên mặt lớp P có phủ 1 lớp mỏng chống phản xạ để tránh tổn thất ánh sáng. P I n Ánh sáng Lớp chống phản xạ Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện SiO2 Tiếp xúc kim loại Hình IV.13: Cấu tạo của diode thu quang loại PIN IV.3.2.2 Diode quang thác APD (Avalanche Photo Diode): Để tăng đáp ứng của diode thu người ta ứng dụng hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Người ta chế tạo APD có P+ và N+ là 2 chất bán dẫn có nồng độ tạp chất cao hơn lớp P và N (có trong PIN thay, thế cho vị trí lớp I). Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, điện trường trong vùng PN cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùng này. Vùng này được gọi là vùng “ thác lũ ”. Khi ánh sáng chiếu vào lớp P sẽ hấp thụ và tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về P+ nối với cực âm nguồn còn điện tử đi về phía tiếp giáp PN. Điện trường trong vùng sẽ tăng tốc cho điện tử. Các điện tử va chạm với các nguyên tử của tinh thể sẽ tạo ra điện tử và lỗ trống (thứ cấp). Các điện tử và lỗ trống này sẽ lặp lại quá trình kể trên làm cho số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn. Như vậy dòng quang điện nhân lên với M lần (số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với 1 điện tử sơ cấp). Dòng quang điện sẽ là: I = R. M. P (P: công suất quang) I: Cường độ dòng điện sinh ra. R: Đáp ứng (A/W) của diode thu. Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực và cũng phụ thuộc nhiệt độ nên giữ cho M ổn định rất khó. M = 10 ¸1000 lần.Thực tế chọn M=50¸200 M càng lớn nhiễu càng lớn. N+ P i(n) P+ Trường tối thiểu - + Vùng thác Vùng nghèo Trường điện Hình IV.14: Cấu trúc của diode thu quang APD IV.3.2.3 Đặc tính kỹ thuật của APD và PIN: - Độ nhậy APD > PIN từ 5 ¸ 15 dB. Thực tế thường kết hợp PIN - FET lúc đó thì độ nhạy của APD và PIN - FET là như nhau. S = 0.7. - Dải động APD rộng hơn PIN vì có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M. - Độ ổn định PIN > APD do APD có hệ số nhân M vừa phụ thuộc nhiệt độ và cũng vừa phụ thuộc điện áp phân cực. - Dòng tối (dòng điện nhiễu do các diode thu quang phát ra khi không có ánh sáng chiếu vào gây nên tạp âm thăng giáng) của APD lớn hơn của PIN. - Điện áp phân cực APD cao hơn PIN. (APD hàng trăm volt, PIN thường dưới 20 volt). RT U out thiên áp AMP Hình IV.15: Sơ đồ bộ thu tách quang Ưu điểm của hai loại này trái ngược hẳn nhau. Đặc tính kỹ thuật của APD chỉ hơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc. Các mặt hạn chế của APD là: chế độ làm việc kém ổn định, dòng nhiễu lớn, điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao. Þ A W Giả sử Rt = 100KW muốn U = 1 mV thì : Chứng tỏ với công suất rất bé thì thiết bị vẫn thu được -> độ nhậy quang rất cao. Do đó đối với thông tin quang, thông tin có thể đi rất xa mà vẫn không cần công suất quang lớn. Đây chính là ưu thế của thông tin quang. Thực tế P phát 10mW thông tin đi được 160km. Hình IV.16: Sơ đồ cấu hình thiết kế bộ phát của LD truyền tín hiệu số FILT Ib ILD DET Chuyển mạch dòng điện Bias Tín hiệu Điều khiển thiên áp ngưỡng Mẫu so sánh TEC T Sợi quang Bộ phận làm mát hay cảm biến nhiệt IF i Trích thời gian Mạch quyết định Data Khuyếch đại Photodetector Hình VI.17: Sơ đồ khối của bộ thu quang điển hình CLK Bộ lọc Bộ cân bằng Tiền khuếch đại CHƯƠNG V KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG. V.1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang WDM. Kỹ thuật ghép bước sóng quang sẽ cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không dùng thêm sợi quang; nó đã thực hiện truyền các luồng ánh sáng với bước sóng khác nhau trên cùng một sợi. Lý do là ở chỗ, các nguồn phát có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có. V.1.1 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như hình 1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau l1, l2...ln.Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ một bộ ghép kênh: bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sè được truyền dọc theo sợi để tới phias thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu và và sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. On(ln) O1(l1) In(ln) I1(l1) MUX DMUX 0(l1…ln) I(l1…ln) Sợi dẫn quang Hình V.1 : Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Ở hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM. Phương án 1: truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại mọt đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án 2: truyền dẫn WDM hai hướng: là không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một tại bước sóng l1 và đồng thời cũng phát đi thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng l2. l1, l2…ln Nguồn l1 Nguồn l2 Nguồn lN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Nguồn l1 Nguồn l2 Nguồn lN Thiết bị WDM Kênh 1 Kênh 2 Kênh N Một sợi Hình V.2: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng. Kênh vào Thu l2 Kênh ra Nguồn l1 Thu l2 Thiết bị WDM Kênh ra Một sợi Kênh vào l1 l2 Nguồn l1 Thiết bị WDM HìnhV.3: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng. Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi dẫn quang chung. Tại đầu thu cần phải có một bộ ghép kênh để thực hiện tách các kênh quang tương ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước cho của chúng cho nên vấn đề xuyên tâm là không đáng lưu ý ở đầu phát. Vấn đè đáng lưu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi. Như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có các biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác. Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giả hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba (Mũ -DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 4 là sơ đồ miêu tả thiết bị giải ghép và giải ghép kênh hỗn hợp. O(lk) Ii(li) Ik(lk) Các tín hiệu được ghép Các tín hiệu được giải ghép I(lk) Sợi dẫn quang Hình V.4: Mô tả thiết bị ghép và giải ghép (MUX và DMUX) V.1.2 Các tham số cơ bản. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép dạng có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có bước sóng li đã được giả ghép và đi ra cửa thứ i. Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang ƯDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiêt bị ghép gây ra. MUX O(li) Ii(li) Li = -10log DEMUX Oi(li) I(li) Li = -10log Với Li là suy hao (tại bước sóng li) khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này phải luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. Xuyên kênh ngụ ý mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn(-30dB) trong mọi trường hợp. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Ui(lk) I(lk) Di(lk) = -10log Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ ghép kênh ở hình 5.a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng li.. Trong thiết bị ghép và giải ghép hỗn hợp như ở hình 5.b) việc xác dịnh suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu ra” là do các kênh ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “Xuyên kênh đầu vào” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). DEMUX Sợi quang I(li).......I(lk) Oi(li)+Ui(li) Sợi quang Oi(li)+Ui(li)+Ui(li) Ii(li) (lj) (lk) O(lj) Hình V.5: Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ giải ghép kênh hỗn hợp. I(li).......I(lk) Độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các điốt laser thì các độ rộng kênh được yêu cầu váo khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát là điôt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vị độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. V.2. Ghép kênh quang theo tần số OFDM. Trong ghép kênh OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt; ở đây, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên cùng một sợi quang. Các sóng náh sáng có một tiềm năng thông tin rất lớn vì nó có tần số cao, tới hơn 200000Ghz(1Ghz =109Hz). Hơn thế nữa sợi quang vốn có suy hao nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8mm¸1,8mm cũng tương đương ở băng tần 200000Ghz. Như vậy, ghép kênh quang theo tàn số được xem xét như là cấp cao hơn WDM vì số kênh ghép được trong băng tần quang sẵn có rất lớn OFDM có thể coi như là biện pháp ghép kênh quang có mật độ ghép dày đặc hơn. Hình 6 minh hoạ một hệ thống ghép kênh quang theo tần số ; ở đây, tín hiệu quang được ghép được xây dựng theo phương pháp tựa như các kỹ thuật thông thường, nhưng quá trìng biến đổi điện nào. Tổng số các chùm bit được ghép sẽ phụ thuộc vào tốc độ ghép của mỗi luồng (kênh) riêng rẽ sẽ được khôi phục lại. Sợi cáp quang 1550nm Điều biến ngoài (PSK) f S1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Bộ kết hợp Laser f S1 Mix f1 S2 Mix f2 Sn Mix fn Tách quang PLL quang Bộ chia công suất Hình V.6: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM. + Các công nghệ ban đầu của OFDM. Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa trên các nguồnphát quang có các tần số ổn định, các thiết bị quang thụ động như các bộ lọc quang, các bộ khuyếch đại quang băng tần rộng có thể khuêchs đại nhiều kênh OFDM cùng một lúc. Các nguồn phát quang ổn định về tần số là rất cần thiết để ngăn chặn xuyên kênh. Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp có thểư dụng làm nguồn phát cho hệ thống OFDM. Tuy nhiên khi laser có độ rộng hẹp thì lại không ổn định về tần số, do đó phải dung hoà về mặt này. Để có nguồn phát laser có độ rộng phổ hẹp mà lại ổn định thì phải sử dụng loại mạch gõ tần số quang ( gõ mode) . Hiện nay các hệ thống OFDM thử nghiệm đã sử dụng các mạch gõ tần số quang có bộ lọc hiệu chỉnh đáp ứng tần số quang. Các thiết bị quang thụ động cũng rất quan trọng để kết hợp các tín hiệu quang OFDM riêng rẽ. Đối với các sóng quang có độ rộng phổ hẹp được ổn định tần số, cộng hưởng giao thoa và các hiện tượng khác luôn đòi hỏi phải có các bộ lọc quang chính xác. Các bộ lọc này có tíh chuẩn xác tựa như các bộ lọc trong các hệ thống viba. Công nghệ gần đây đã cho ra được bộ lọc quang 100 kênh có khả năng tạo khoảng cách kênh 5¸10Ghz. Các bộ khuyếch đại quang sẽ thực hiện khuyếch đại các kênh quang FDM đồng thời một lúc, nó tạo ra cự ly băng tần truyền dẫn của hệ thống được dài hơn. Hiện nay, các bộ khuyếch đại quang cho òDM đã có khả năng khuyếch đại được 100 kênh quang. Điều nà mở ra một hướng ứng dụng OFDM vào các môi trường khai thác đa dạng. V.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM. Ghép kênh OTDM: là quá trình ghép các luồng tín hiệu quang. không thông qua 1 quá trình biến đổi về điện nào, kỹ thuật ghép ở đây có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã và tốc độ đường truyền. V.3.1 Nguyên lý ghép kênh OTDM. Hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM có thể mô tả như hình 7. Trong hệ thống ghép kênh quang OTDM, chuỗi xung quang hẹp được phát ra từ nguồn phát thích hợp. Các tín hiệu này được đưa vào khuyếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu. Sau đó được chia thành N luồng, mỗi luồng sẽ đưa vào điều chế nhờ ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải được đưa qua các bộ trễ quang. Tuỳ theo vị trí của từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch các khe thời gian một cách tương ứng. Thời gian trễ là một nửa chu kỳ của tín hiệu clock. Như vậ, tín hiệu sau khi được ghép sẽ có tốc độ là N.BGbit/s. Sau khi được truyền trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh và khôi phục xung clock và đưa ra được từng kênh quang riêng biệt tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát. Sợi dẫn quang Bộ chia quang Tín hiệu Trễ quang Thời gian Khuyếch đại quang Bộ tách kênh Bộ ghép quang Kênh 1 2 3 4 1 2 3 4 Thời gian Kênh 1 Kênh 4 Hình V.7: Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang. Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Bộ điều chế Nguồn phát Khuyếch đại quang EDFA Khối phát clock Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm, tại bước sóng này sẽ có suy hao quang nhỏ, lại phù hợp với bộ khuyếch đại quang sợi có mặt trong hệ thống. Các bộ khuyếch đại sợi quang có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang. Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin với tốc độ 200Gbit/s. Tuy nhiên ở tốc độ này phải xem xét tới việc bù tán sắc cho hệ thống. V.3.2 Giải ghép và xe rẽ kênh. Khi xem xét các hệ thống OTDM và các hệ thống thông tin quang có ghép kênh TDM, người taq thấy sự khác nhau chủ yếu ở đây là việc ghép và giải ghép trong vùng thời gian quang, mà nó được thể hiện như một chức năng tích cực. Thực hiện việc giải ghép trong hệ thống OTDM điểm nối điểm ở phía thu chính là việc tách hoàn toàn các kênh quang. Tuy nhiên khi xem xét trên cục diện mạng OTDM thì lại phải xem xét cả khả năng xen và rẽ kênh từ luồng truyền dẫn. Đối với giải bộ ghép kênh, cần phải xem xét các tham số cơ bản về tách kênh, kể cả tỷ số phân biệt quang, suy hao xen và cắt cửa sổ chuyển mạch có thể đạt được. Đối với các nút xen và rẽ kênh thì phải đánh giá cả hiệu suất chuyển mạch, đo đạc phần công suất được lấy ra từ kênh tương ứng. Ở đây tỷ số phân biệt rõ ràng có ảnh hưởng tới mức độ xuyên kênh. (Tỷ số phân biệt EX = 10log10(A/B), với A là mức công suất quang trung bình ở mức logic 1 và B là mức công suất quang trung bình ở mức logíc 0), Ngoài ra, xuyên kênh cũng sẽ bị tăng do sự phủ chờm giữa các kênh lân cận với nhau tạo thành cửa sổ chuyển mạch. Kết quả là độ rộng của cửa sổ chuyển mạch sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đường truyền. V.3.3 Đặc tính truyền dẫn của OTDM. Tán sắc của sợi quang làm cho các xung ánh sáng lan truyền trên sợi bị dãn rộng ra trong khi đó các hệ thống thông tin quang OTDM có tốc độ rất cao, như vậy đòi hỏi các xung phát ra phải rất ngắn. Mặc dù vấn đề tán sắc có thể được khắc phục bằng cách sử dụng truyền dẫn Soliton trong các điều kiện cho phép, nhưng vẫn phải đặc biệt quan tâm tới các biện pháp tạo ra các xung cực hẹp. Giả thiết rằng các bộ khuyếch đại quang thường được sử dụng để tăng các mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang khi cần thiết. Đặc biệt đối với các hệ thống truyền dẫn Soliton ở đây, việc nén các xung pháp tuyến nhằm để tạo ra các dạng xung. Trong truyền dẫn tín hệu RZ trên sợi có tán sắc, đền bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc chỉ thiết lập khi các xung tín hiệu bị mất năng lượng vào các khe thời gian lân cận. Tuy nhiên, một khi điều này xảy ra thì hệ thống bị suy giảm nhanh. Vậy. để tăng cực đại khoảng cáh truyền dẫn thì phải đưa các hệ thống OTDM vào các tuyến có tán sắc tiến tới không. Giải pháp tiếp cận đầu tiên là nguồn phát phải làm việc tại bước sóng rất gần với bước sóng của tán sắc sợi bằng không. Điều này không phải dễ dàng thực hiện như đã nói bởi vì với các điều kiện này, mức công suát mà tại đó có sự sút kém hệ thống phi tuyến xảy ra có thể hoàn toàn thấp, tức là giảm công suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhưng điều này có thể làm cho đặc tính hệ thống bị giới hạn do tỷ lệ tín hiẹu trên nhiễu. Thứ hai là các kỹ thuật điều tiết tán sắc có thể được sử dụng để duy trì hình thức truyền dẫn tuyến tính để tránh các giới hạn như ở trên hoặc để bù đầy đủ tán sắc tuyến tính của tuyến. Việc thực hiện các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống OTDM là một bước kiểm tra ngặt nghèo chất lượng của sự bù vì rằng ở đây sử dụng các xung rất ngắn. Lợi thế nổi bật của việc sử dụng các bộ phát OTDM trong truyền dẫn số phi tuyến. Các dạng xung ngắn đặc biệt phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc củ sợi dẫn quang. Với hệ thống Soliton khoảng lặp của hệ thống OTDM phi tuyến có thể được tăng lên rất lớn bằng kỹ thuật điều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng các bộ lọc dẫn hoặc định thời tích cực. Nhờ các công nghệ này mà người ta có thể thực hiện mộ._.