Tổng quan về hệ thống thông tin quang,nguyên lí ghép kênh theo bước sóng

ng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết .Để giải quyết hạn chế này ,Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau . Đầu năm 1880 ,A.G.Bell-người phát sinh ra hệ thống điện thoaị đã nghĩ ra một thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hút ánh sáng . Tuy nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thông này đã bị bỏ bễ do sự xuất hiện hệ thống vô tuyến . Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Laser năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có tổn thất thấp. Bốn năm sau ,Kapron đã có thể chế tạo các sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20db/km .Được cổ vũ bởi sự thành công này các nhà khoa học và các kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt động và nghiên cứu phát triển và kết quả là các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn , về tăng dải thông , về các Laser bán dẫn ... đã được phát triển thành công trong những năm 70, độ tổn thất của sợi quang đã được giảm đến 0,18db/km . Hơn nữa trong những năm 70, Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo . Tuổi thọ của nó được ước lượng khoảng hơn 100 năm . Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh/dữ liệu đén các địa điểm cách xa hàng trăm km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc , không cần đến các bộ tái tạo. Hiện nay các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh vực được gọi là photon học-là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lí, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng ứng dụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21. 2. Dạng tổng quát của hệ thống thông tin quang. Khác với thông tin vô tuyến, và thông tin hỡu tuyến sử dung cáp đồng, trong thông tin cáp sợi quang, thông tin được chuyển thành ánh sáng rồi chuyền trên sợi quang. Tại nơi nhận nó lại biến đổi thành thông tin ban đầu. Xung điện âm thanh, dữ liệu, hình ảnh Bộ mã hoá Bộ giải mã Nguồn quang Bộ tách sóng quang Xung điện Sợi quang Xung quang âm thanh, dữ liệu, hình ảnh Các đặc điểm Trong thông tin sợi quang , các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng một cách hiệu quả : độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn . sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh không chịu ảnh hưởng của nhiễu cảm ứng sóng điện tử. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay. Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự li đến 100GHz-km. Tương bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến những địa điểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến các tái tạo. Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy, chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tầu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp. Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng hoặc các xung điện từ. Vì vậy chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. ĐIều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân. Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo-là những thứ rẻ hơn đồng nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục , giá thành của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra. Do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái tạo hơn. Ngoài những ưu điểm trên ra, sợi quang còn có độ an toàn , bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn. Nó cũng dễ bảo dưỡng , sưả chữa và có độ tin cậy cao; hơn nữa nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp. Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tín và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực , các ứng dụng y tế và quân sự cũng như cho các thiết bị đo. Mạng quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Hệ thống WDM dựa trên tính chất có thể truyền đi nhiều tia sáng với các bước sóng khác nhau của sợi quang. Mỗi bước sóng là một kênh thông tin. Người ta dùng các phương pháp quang học để liên kết các kênh riêng lẻ trong cùng một sợi và tách chúng tại những điểm được yêu cầu trên mạng. Công nghệ WDM đã phát triển đến mức mà khoảng cách giữa các kênh là rất nhỏ, cỡ nanomet. Vì vậy, hệ thống này được gọi là DWDM (dense wavelength division multiplexing). Hiện nay đã có các mạng trong đó sợi quang có thể truyền hàng trăm kênh và các mạng có thể truyền song hướng. Tuy nhiên, công nghệ này cũng chỉ mới bắt đầu. Ưu thế của DWDM phần lớn là do bộ khuếch đại EDFA mang lại , EDFA là một dụng cụ quang học sử dụng năng lượng từ một máy bơm laser để khuếch đại tất cả các bước sóng tín hiệu có mặt ở đầu vào (các tín hiệu này cùng nằm trong một dải thông hẹp có bước sóng trung tâm là 1550nm). Bằng việc khuếch đại tín hiệu quang một cách trực tiếp mà không cần phải chuyển đổi sang tín hiệu điện, dụng cụ này cho phép xây dựng được những mạng truyền dẫn đường dài yêu cầu rất ít thiết bị điện. Vậy thì, hệ thống WDM là gì? Hệ thống DWDM có nhiều điểm giống hệ thống TDM truyền thống. Nó phát tại một đầu vào và thu tại một đầu khác, sợi quang và các trạm lặp nằm ở giữa. Sự khác biệt giữa DWDM và TDM là ở chỗ: Trên hệ thống TDM tại một thời điểm nhất định chỉ có một kênh mà tín hiệu quang được truyền đi trong khi đó hệ thống DWDM có thể truyền nhiều kênh một lúc. Nói cách khác chúng ta có thể coi DWDM như là nhiều TDM song song, cùng chia sẻ cáp truyền và các thiết bị. Về cơ bản, phần quang của hệ thống DWDM là một hay nhiều bộ phát laser và một số lượng tương đương bộ thu, một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại EDFA, các OADM, cáp sợi quang, bộ phân kênh. So sánh công nghệ TDM và WDM. Công nghệ TDM có thể tăng thêm các kênh trong mạng bằng cách tiếp tục chia nhỏ chúng ra nhưng kèm theo đó là chi phí cho thiết bị và sự phức tạp trong vấn đề xử lý. Mỗi khe thời gian của mỗi kênh phải được bảo vệ cẩn thận và được nhận biết để có thể khôi phục lại từng kênh. Trong WDM không cần định thời và các giao thức . Đương nhiên, kỹ thuật TDM được ứng dụng vào mỗi kênh WDM để đưa ra sự linh động hơn nữa trong việc chuyển băng thông của mạng cho những người sử dụng. Hiện nay, đã có các hệ thống với hàng trăm kênh, cho phép tốc độ dữ liệu cỡ Gbps và đang tiến dần đến Tbps trên một sợi quang. Ngay cả trong các ứng dụng không yêu cầu tốc độ cao như vậy, việc lắp đặt một hệ thống có độ linh động cao, dễ dàng mở rộng là điều cực kỳ hấp dẫn. Cả TDM và DWDM đều có thể sử dụng để tăng khả năng mang thông tin trên mạng. Mặc dù hai hệ thống có tính hợp tác hơn là cạnh tranh, các đặc điểm của chúng vẫn có thể được đem ra so sánh dưới các góc độ tính linh hoạt trong thiết kế, tốc độ và sự ảnh hưỏng đến tỉ lệ lỗi bít (BER). Tính linh hoạt trong thiết kế. TDM có thể xử lý các dạng liên kết khác nhau để cung cấp các ứng dụng đến người sử dụng. Hệ thống TDM cho phép các tốc độ truyền khác nhau trên mỗi sợi quang. Các thông tin được phân vào các khe thời gian cố định hay là phụ thuộc vào yêu cầu, dạng này được gọi là đa truy nhập phân bố theo yêu cầu. Khoảng thời gian của các kênh có thể thay đổi và thậm chí tất cả các khe thời gian có thể bị loại. Nếu các khe bị loại bỏ, dữ liệu có thể được gói vào trong các gói có địa chỉ nguồn và địa chỉ đích. Nói chung, TDM hoạt động tốt nhất khi nó được ứng dụng cho các liên kết luận lý, tất cả các liên kết mang cùng một loại thông tin với các khe thời gian được phân bố một cách cố định và bằng nhau. Các hệ thống TDM mới dễ quản lý , thiết kế và có chi phí bảo dưõng thấp. Hệ thống WDM đưa ra nhiều kênh độc lập với nhau nó linh động hơn nhiều TDM. Tuy nhiên, các đặc tính của thông tin và của tốc độ dữ liệu trên mỗi kênh có thể tương đối khác nhau mà không gây nên một chút khó khăn nào cho việc thiết kế và thực hiện. Sự kết hợp giữa LAN Ethernet 10BASE T, LAN Ethernet 100BASE T có thể được kiểm soát dễ dàng. Việc thêm các kênh mới vào hệ thống WDM cũng không có gì là khó khăn, không cần phải định vị lại tất cả các khe thời gian hiện có trong TDM. So sánh về mặt tốc độ. Việc tăng tốc độ trong TDM là kết quả của việc bơm nhiều bít thông tin dọc theo một kết nối. Trong vòng một số giới hạn cơ bản của cáp sợi quang tốc dộ phụ thuộc vào các phần tử điện được dùng. Mạch số có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ mỗi nguồn, lưu lại, ghép nó vào các khe thời gian thích hợp sau đó lại tách ra và cấp phát cho đúng người sử dụng. Tất cả các thiết bị số phải hoạt động tại hoặc gần với tốc độ của một kết nối của bộ ghép kênh. Do đó, mỗi kênh, không quan tâm đến băng thông thực của nó, phải được trang bị thiết bị điện ít nhất có khả năng xử lý toàn bộ băng thông của liên kết này. Một đường truyền cáp sợi quang có thể xử lý tốc độ vài Gbps, trong khi tốc độ hợp lý của mạch số theo yêu cầu thương mại hiện nay là một tỉ phép tính/giây. Mặc dù tốc độ này đang được tăng lên TDM sẽ vẫn mãi bị giới hạn bởi tính kinh tế trong việc dùng các mạch điện tử số trong mỗi đường dẫn tín hiệu, do đó kỹ thuật này cũng không có khả năng đưa ra một tốc độ liên kết ghép nối phù hợp với băng thông rất lớn của cáp sợi quang. Mặc dù mỗi kênh WDM cũng có cùng các yêu cầu kết cuối để hỗ trợ điện tử số như các kênh của TDM, các thiết bị khác trong kênh chỉ cần để xử lý tốc độ bit thấp của nó, chứ không phải tốc độ của tín hiệu ghép. Dung lượng của toàn kênh không bị hạn chế bởi tốc độ của các mạch số hỗ trợ. Dung lượng có thể tăng lên bất cứ lúc nào bằng việc thêm các kênh để đáp ứng yêu cầu. Thiết kế TDM nhanh nhất, dùng các mạch số tiên tiến nhất, luôn có thể được truyền trên một kết nối WDM đơn như là một trong số rất nhiều kênh. WDM có thể đưa ra các tốc độ liên kết phù hợp với băng thông rất lớn của cáp sợi quang. Chương II: Nguyên lí ghép kênh theo bước sóng. Nguyên lý chung : Các nguồn phát các bước sóng l1, l2, l3... được ghép với nhau để phát vào cùng một sợi quang. Sau khi truyền dẫn trên sợi quang, các tín hiệu li được tách ra với các bộ thu khác nhau. Thiết bị đầu vào phải bơm các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau vào sợi quang với tổn hao ít nhất : đây gọi là bộ ghép kênh. Thiết bị dùng để tách các li gọi là bộ phân kênh. Bộ ghép kênh MUX Bộ phân kênh DMUX Bộ lặp REPEATER Bộ thu l2 Bộ thu l1 Bộ phát ln Bộ phát l2 Bộ phát l1 Bộ thu ln l1, l2,..., ln . . . . . . Sơ đồ nguyên lý Bộ ghép kênh theo bước sóng Khi ánh sáng lan truyền theo hướng ngược lại bộ ghép kênh lại trở thành bộ phân kênh, tuy nhiên hiệu quả ghép kênh không cần thiết giữ được trong trường hợp này. ví dụ như bộ ghép kênh sử dụng cáp quang đầu vào đơn Mode và cáp quang đầu ra đa Mode thì tổn hao ghép kênh sẽ lớn hơn theo chiều ngược lại. Các bộ ghép kênh được thiết kế dùng cáp quang vào và ra đồng nhất đều có thể truyền theo chiều ngược lại. Dựa vào đặc tính suy hao của sợi quang người ta nhận thấy sợi quang có suy hao thấp nhất tại 2 vùng bước sóng là : 1310 nm, 1550 nm. Dùng 2 bước sóng này ghép vào sợi quang, tại đầu thu dùng 2 cửa sổ thu 1310 nm, 1550 nm. Đây vẫn chưa mang tính công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Hiện nay, người ta dùng nhiều bước sóng trong mỗi cửa sổ ghép vào sợi quang. Như vậy, khoảng cách giữa các kênh quang sẽ rất gần nhau, bộ phát tín hiệu quang phải có đặc tính phát ra tín hiệu quang có phổ rất hẹp. Các khối chính của hệ thống thông tin quang : So với hệ thống thông tin quang thông thường thì hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng có thêm bộ ghép kênh quang và phân kênh quang. Do đó bao gồm các khối sau : Nguồn quang: thường là Diode phát quang LED và Diode Laser. Yêu cầu nguồn quang có phổ tín hiệu hẹp. Bộ ghép kênh quang: có thể là bộ lọc Filler, bộ ghép Coupler hoặc là cách tử gratting. Sợi quang. Bộ lặp: để bù lại phần công suất đã bị suy hao trên quãng đường truyền. Bộ phân kênh quang: giống như bộ ghép kênh quang. Bộ tách sóng: yêu cầu độ nhạy cao. Bộ khuyếch đại quang: trong các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn xa như các tuyến trục quốc gia, quốc tế thì tín hiệu quang bị suy hao rất lớn nên cần có Bộ khuyếch đại. Cụ thể các khối như sau: Sợi quang: Sợi dẫn quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó. Để đảm bảo được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thuỷ tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn hơn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2<n1. Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi. Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng. Chỉ có một vài mode riêng biệt nào đó là có khả năng truyền dọc theo suốt chiều dài sợi trong số nhiều mode được ghép vào tại đầu sợi. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra gianh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi. Các tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính lớp bao và khẩu độ số NA. Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như là suy hao quang, độ rộng băng truyền dẫn, sức bền cơ khí, bộ đấu nối sợi quang.... Có bốn thông số xác định cấu trúc của sợi quang đa mode là : Đường kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số NA và dạng phân bố chiết suất khúc xạ. Tương phản với cấu trúc của các sợi quang đa mode, các sợi quang đơn mode được xác định bằng 3 thông số:Thông số trường mode,đường kính lớp vỏ&bước sóngcắt Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. Có 3 loại sợi quang : Sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc: Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (SI). Sợi đa mode chỉ số chiết suất Gradien: Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số chiết suất Gradian. (GI) Sợi đơn mode: Chỉ cho phép truyền một mode truyền hay chỉ một tia chạy song song với trục sợi. Sợi đơn mode thường có đường kính rất nhỏ. Xung ánh sáng đưa vào sợi đơn mode là xung rất hẹp thì ở đầu ra của sợi đơn mode nhận được xung bị biến đổi tương đối nhỏ hơn so với xung ra ở sợi đa mode. Sợi đa mode: Cho phép nhiều mode truyền dẫn trên nó. Nếu đưa vào đầu vào của sợi một xung rất hẹp thì ở đầu ra của sợi đa mode xung bị biến dạng tương đối nhiều hơn so với sợ đơn mode. Sợ đa mode thường có đường kính ruột rất lớn. ũ Phân loại sợi quang: Phân loại theo vật liệu điện môi * Sợi quang thạch anh * Sợi quang bằng thuỷ tinh đa vật liệu * Sợi quang bằng nhựa Phân loại theo Mode truyền lan * Sợi quang đơn mode * Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ * Sợi quang chiết suất bậc * Sợi quang chiết suất biến đổi Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang: Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất lớn và một lớp bọc cũng bằng thủy tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi, nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sợi ra). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau: n(r) = r Ê a (trong lõi) ; a <r (lớp bọc) Trong đó: n1: chiết suất lớn nhất ở lõi. n2: chiết suất lớp bọc. : độ chênh lệch chiết suất. r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất a: bán kính lõi sợi b: bán kính lớp bọc g: số mũ quyết định dạng biến thiên; g ³ 1 Các giá trị thông dụng của g: g = 1 : dạng tam giác g = 2 : dạng parabol g đ Ơ : dạng nhảy bậc Sợi quang đa mode có chiết suất bậc SI - MM (Step Index - Multi Modes). Với mỗi loại sợi được chế tạo thì giá trị NA cho trước cho biết khả năng truyền dẫn của sợi. Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc giới hạn qmax. Sin của góc giới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu là NA NA = sinqmax qmax là góc mở lý thuyết NA: Khẩu độ số áp dụng công thức Snell để tính NA: Tại điểm A, đối với tia 2: Mà no = 1 , chiết suất của không khí sin(90o - qc) = cosqc = = , vì sinqc = Do đó: NA = sinqmax = Trong đó : Với , độ lệch chiết suất tương đối ý nghĩa NA: Ta phải hội tụ một chùm sáng để bơm vào sợi quang với 1 nón ánh sáng Ê 2NA. Nếu ta không hội tụ tốt nghĩa là nón ánh sáng > 2NA thì những phần nằm ngoài NA đó không truyền được trong sợi quang. Các tia sáng chạy với các đường đi dích zắc khác nhau từ đầu sợi tới cuối sợi sẽ có độ dài các đường đi khác nhau. Nên các tia sáng thành phần có thời gian lan truyền tới cuối sợi là khác nhau bới vì chiết suất trong một sợi có chiết suất là n1 = const nên vận tốc lan truyền của các tia là như nhau: n = = const (*) Xét tia đi song song với trục sợi có độ dài đường đi là ngắn nhất và tia phản xạ toàn phần có độ dài đường đi là lớn nhất thì thời gian chênh lệch giữa hai tia này là lớn nhất: Dtmax = - . Thay (*) vào ta có: Dtmax = = Độ lệch thời gian trên 1 km sợi là: = = Độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỷ lệ thuận với độ mở NA (Khẩu độ số). Đối với sợi SI có độ mở NA lớn thì có độ lệch thời gian lớn dẫn tới hạn chế bằng tần truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn nên cần chọn loại sợi có khẩu độ số NA càng nhỏ càng tốt. Ngược lại, hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn bức xạ vào sợi quang tỉ lệ thuận với bình phương NA: h(%) ằ 2 D = Sợi quang đa mode có chiết suất biến đổi GI - MM (Graded Index - Multi Modes) Chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo bán kính còn vỏ sợi có chiết suất không đổi. Trong một sợi chiết suất giảm dần từ giá trị lớn nhất no tại tâm sợi tới giá trị nhỏ nhất n2 tại mặt phân cách vỏ ruột và là một hàm của bán kính r hoặc tỉ số r/a: n(r/a) = no[1 - 2Df(r/a)]1/2 (r/a Ê 1) n(r/a) = no[1 - 2D]1/2 = n2 (r/a ³1) Với D là độ lệch chiết suất tương đối Hàm số f(r/a) thể hiện sự biến thiên của chiết suất khi bán kính sợi được gọi là hàm số mặt cắt. Nó thoả mãn điều kiện: 0 Ê f(r/a) Ê 1 Thực tế hàm f(r/a) biến thiên theo qui luật hàm mũ : f(r/a) = (r/a)g g: Tham số mặt cắt Sợi GI có tham số g thoả mãn điều kiện 1 Ê g Ê 3 thì có độ rộng bằng truyền dẫn lớn nhất, đặc biệt với g ằ 2. Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều được chọn là sợi có g = 2. Lúc này hàn f(r/a) biến thiên theo hàm số Parabol, nên đôi khi sợi GI có g = 2 là sợi có chiết suất Parabol. Do đó vận tốc truyền ánh sáng trong ruột là một hàm số biến thiên theo bán kính r. n = = = n(r) Góc mở lớn nhất của sợi GI - MM biến đổi theo bán kính r từ tâm ra tới mặt phân cách vỏ ruột: sinqmax = no Nếu đỉnh hình nón nằm đúng vào trục sợi (r/a=0) thì đạt giá trị bằng của sợi SI: sinqmax = no = n1= NA Do chiết suất của sợi biến thiên nên sợi GI có độ lệch thời gian giữa các tia sáng thành phần nhỏ. Khi g = gopt thì độ lệch thời gian trên một km sợi giảm nhỏ đạt: = với gopt là tham số mặt cắt tối ưu có giá trị là: gopt = 2 - 2P - D Mật độ bức xạ không gian của nguồn là N = N(W,A) thì lấy tích phân trên biểu đồ không gian pha thì ta có thể tính được công suất bức xạ của nguồn đưa vào sợi: P = dAdW [W/cm2.Sr] Trường hợp đơn giản cho rằng mật độ bức xạ của nguồn tại mọi chỗ trên miền diện tích A = p r2 và trong một vùng góc không gian W = p sin2q với điều kiện bờ là: 0 Ê r Ê a và 0 Ê q Ê arcsinNA Sau khi tích phân ta sẽ được công suất nguồn có thể đưa vào sợi SI là: P = N . p2 . a2. NA2 Còn sợi GI có cùng giá trị a và NA thì công suất ánh sáng có thể đưa vào sợi là P chỉ bằng một nửa công suất có thể đưa vào sợi SI. Như vậy sợi GI có nhược điểm cần lưu ý là ánh sáng đưa vào mặt cắt trên một diện tích bức xạ nhỏ hơn, hay một chùm tia sáng nhọn hơn. Sợi dẫn quang đơn mode: Cấu trúc của các loại sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kính lõi và sự khác nhau về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi. Kích thước đường kính lõi sợi chỉ khoảng vài bước sóng. Khái niệm về mode ánh sáng được hiểu rất rộng có thể coi là các tia sáng được phép lan truyền hoặc là các dạng sóng được phép truyền lan hay là các nghiệm của hệ phương trình sóng. Để đánh giá đặc tính đơn mode hay đa mode của sợi chỉ có thể thông qua số mode được phép lan truyền. Số Mode được lan truyền phụ thuộc vào tỉ số giữa đường kính sợi và bước sóng công tác thể hiện qua tham số cấu trúc V của sợi: V = Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có thừa số V: Trong đó: a: Bán kính lõi sợi l : Bước sóng K = : thừa số sóng NA: Khẩu độ số Tổng quát, số mode M truyền được trong sợi được tính gần đúng như sau: Trong đó: V : Thừa số V g: Số mũ trong hàm chiết suất Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI) với g đ Ơ là: Với sợi chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode là : Ví dụ: Một sợi quang loại GI(g=2), a=25mm, NA=0,2, ở bước sóng l=1mm có thừa số V: Số mode truyền trong sợi này là: = Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và sợi chỉ truyền một mode gọi là sợi đơn mode. Các mode trong sợi quang: Khái niệm về Mode Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ, muốn biết được bản chất thực của các quá trình truyền dẫn ánh sáng cần phải giải phương trình sóng, Một mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thỏa mãn các phương trình Maxwel và điều kiện bờ là từ sợi quang. Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode lõi với tổn hao thấp, mốt vỏ với tổn hao cao và các mốt rò có đặc tính của cả hai loại mốt trên. Các tia có thể có ở mặt sóng của một mốt phải có cùng pha để lan truyền dọc theo sợi. Điều kiện pha này chỉ cho phép một số N mốt nhất định được lan truyền tính theo tham số V như sau: V = Các mốt lan truyền có những đặc điểm sau: Mỗi mốt có sự phân bố cường độ điện từ trường đặc trưng riêng trên mặt cắt ngang của sợi, và không đổi dọc theo trục sợi trong khi lan truyền. Các mốt hoàn toàn độc lập với nhau Mỗi mốt có tốc độ lan truyền riêng Mối mốt chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng, thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn lg, sao cho các bước sóng l của các mốt đều phải tuân theo điều kiện : l < lg. Khi giải phương trình sóng Maxwell để tìm các mode các nghiệm chính thu được là các mode hồn hợp HE và EH rất phức tạp. Trong thực tế người ta ghép các mốt HE và EH lại thành các mốt phân cực tuyến tính LP. Các mốt LP là các sóng điện từ ngang, trong đó điện và từ trường phân bố vuông góc với phương truyền lan. Các mốt LP chỉ tồn tại với điều kiện độ lệch chiết suất tương đối D rất nhỏ, điều này luôn thỏa mãn vì sợi đơn mốt có D = 2.10-3, sợi đa mốt có D = 2.10-2. Ngoại trừ mốt cơ bản LP01 thì mỗi mốt có một bước sóng tới hạn lg, mốt có bậc càng cao thì lg của nó càng nhỏ. Bắt đầu từ mốt cơ bản, mốt tiếp theo LP11 sẽ được truyền đi nếu bước sóng của nó nhỏ hơn lg, hoặc tham số V tính theo (2-20) thỏa mãn điều kiện V>Vg = 2,405. Mode trong sợi quang đơn mode: Sợi đơn mode có vùng bước sóng truyền dẫn đơn mode, song cũng có vùng bước sóng truyền dẫn đa mốt. Mỗi mode LP có một thừa số V cắt (Vc) tương ứng, chỉ khi thừa số V nhỏ hơn Vcn thì mode đó mới truyền được. Trị số Vcn bậc thấp như sau: Vc1 = 2,405 Vc4 = 5,520 Vc2 = 3,832 Vc5 = 6,380 Vc3 = 5,138 Trị số của Vcn chính là nghiệm của hàm Bessel Jn(x) = 0 Thừa số V phụ thuộc vào bước sóng , ứng với thừa số V = Vcn thì l =lcn được gọi là bước sóng cắt. Trong sợi đơn mode (chỉ có 1 mode cơ bản LP01) bước sóng cắt lc1 là một trong những thông số quan trọng. Đó là bước sóng ngắn nhất mà sợi còn làm việc trong vùng đơn mode. Thường ký hiệu lc để chỉ lc1 Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang. Sợi càng dài và bán kính uốn cong càng nhỏ thì lc càng nhỏ và ngược lại. Ví dụ: Với loại sợi đơn mode có các thông số: - Đường kính lõi : 2a = 9mm - Đường kính lớp bọc: 2b = 125 mm - Độ chênh lệch chiết suất : D = 0,002 = 0,2 % - Chiết suất lõi : n1 = 1,46 Nếu làm việc ở bước sóng l = 1300 nm thì thừa số V là: V ằ 2 Bước sóng cắt của sợi này là: Điều đó có nghĩa là: - Nếu l ³ 1,081 mm thì sợi truyền đơn mode - Nếu l Ê 1,081 mm thì sợi truyền đa mode * Đường kính trường mode: Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang theo quy luật hàm mũ, một phần năng lượng lọt ra vỏ và truyền lan trong vỏ. Trong sợi đơn mode sự phân bố trường là một yếu tố quan trọng cần lưu ý khi xét điều kiện phóng ánh sáng vào sợi cũng như phân tích độ suy hao của các mối nối. Năng lượng ánh sáng thể hiện qua biên độ trường bức xạ F(r), không chỉ tập trung trong lõi sợi mà có một phần truyền ngoài lớp bọc. Sự phân bố trường của mode sóng cơ bản như hình vẽ 6. Bán kính trường mode p là bán kính mà tại đó biên độ trường giảm đi 1/e lần (1/e = 0,37 = 37%). Đường kính trường mode 2p phụ thuộc vào bước sóng l. Bước sóng càng dài, đường kính trường mode càng tăng (như hình vẽ trên) Đối với sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và có thể tính theo công thức gần đúng: Hình 7. Sự phân bố trường của mode cơ bản Mode trong sợi quang đa mode: Vì đường kính ruột sợi dk và D rất nhỏ nên coi rằng hai mốt hỗn hợp điện và từ có tốc độ lan truyền như nhau nên cũng được gộp thành các mốt phân cực tuyến tính LP. Mỗi mốt LP được đặc trưng qua hướng phân cực và qua sự phân bố của cường độ trường trên mặt cắt ngang của sợi. Coi rằng các mốt LP có cùng tốc độ lan truyền, do vậy gộp các mốt thành một nhóm mốt đặc trưng bằng số lượng mốt M. Khi số mốt M quá lớn việc tính toán có thể dựa trên một hàm số liên tục chẳng hạn như vận tốc mốt là vận tốc lan truyền chung cho các mốt v = v(M). Do đó: Mục đích của tính toán mốt trong sợi đa mốt là để xác định tán xạ mốt một cách chính xác để tối ưu sự biến thiên của đường bao chiết suất theo mặt cắt ngang, hoặc để xem xét hiện tượng ghép mốt và ảnh hưởng phụ tới tiêu hao của sợi. Vì sợi có D nên kéo theo độ mở NA nhỏ, góc nhận tia sáng vào sợi nhỏ kéo theo vận tốc pha của các mốt hầu như không bằng nhau, do đó tán xạ mốt bé. Nhưng cũng do D nhỏ nên mỗi mốt ruột mang một phần năng lượng của trường vào vỏ và chạy dọc theo vỏ theo điều kiện bờ tại mặt phân cách và đi được khoảng cách xa. Năng lượng ánh sáng trong ruột suy giảm theo qui luật hàm mũ, song trong vỏ thì thầm chí còn phân bố đều. Mốt trong vỏ phản xạ tại mặt phân cách vỏ và lớp bảo vệ, sau đó có thể khúc xạ vào ruột sợi rồi lại khúc xạ vào vỏ. Vì có góc so với trục quang lớn nên các mốt trong vỏ dễ phát hiện ở trường xa. Muốn khử các mốt vỏ người ta có thể bọc sợi bằng vỏ bảo vệ có chiết suất lớn hơn n2 của vỏ, để các tia của mốt vỏ phản xạ tại mặt phân cách ít còn lại bị hấp thụ trong vỏ bảo vệ. Nguồn quang: Tín hiệu từ nguồn quang ra có dạn được biểu diến như sau : c(t) = A.cos(wct +j) A: Biên độ. wc : Tần số góc. j : góc pha. Trong đó: Thực tế đầu ra của sợi quang có dạng : c(t) = Ai.cos[wc,it +ji(t)] Ai : là biên độ lớn nhất của sóng mang và được gọi là Mode chính. Các sóng mang khác gọi là Mode bên. Wc,i : đại diện cho Mode dài. ji(t): nhiễu pha. Trong đó : Để có một hệ thống thông tin quang tốt, điều kiện về nguông quang như sau : Đơn Mode. Nhiễu thấp: để giảm hệ số BER trong thông tin. Phổ hẹp: giảm nhiễu pha, từ đó làm giảm hiện tượng dãn xung ánh sáng vì vầy tăng được tốc độ truyền. Công suất ra lớn: để làm tăng tỷ số . Dòng ngưỡng nhỏ: đối với Diode Laser, hiện tượng laser chỉ có thể xẩy ra khi dòng thiên áp ngược lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng. Bước sóng. Độ rộng phổ điều chế lớn. Độ dãn phổ nhỏ. Độ tuyến tính: đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến rính của nguồn sáng cần được giảm thiểu. Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng hài và xuyên âm. Độ điều chỉnh được: để dễ dàng thực hiện việc ghép kênh theo bước sóng. Diode laser. Cấu trúc của diode laser cũng giống như LED phát xạ cạnh, bằng cách thêm vào một cấu trúc giam hãm photon người ta tạo ra được ánh sáng đồng nhất. Cũng giống như các loại laser khác, nguyên lí của laser bán dẫn là dựa trên bơm bên ngoài và khuyếch đại ánh sáng bên trong. Phân loại diode laser : Diode laser Fabry – Perot: Diode laser Fabry - Perot là diode laser có hốc cộng hưởng đơn giản hình lập phương, trong phần này ra xem xét đến độ khuyếch đại và suy hao công suất, các đặc tính Mode dọc của FPLD. Khuyếch đại và suy hao năng lượng: Khi photon phản xạ đi lại giữa hai mặt của hố FP, nó được khuyếch đại lên và cả suy hao. Khuyếch đại đạt được do phát xạ kích thích, suy hao do sự hấp thụ vật liệu và sự phản xạ không hoàn toàn tại hai đầu. Trong điều kiện ổn định, khuyếch đại và suy hao bằng nhau. Để đơn giản giả sử rằng sóng ánh sáng là vô hướng và có giá trị A tại điểm z = 0, hàm sóng theo chiều sang phải được biểu diễn dưới dạng : E+ (z) = A.e(j).z. Trong đó : bz : hắng số lan truyền dọc theo trục z a, g : là hệ số suy hao và khuyếch đại. Hệ số theo thời gian e- jwt bị bỏ qua bởi chúng không bị ảnh hưởng đến công suất. Như vậy công suất của sóng chạy tỷ lệ thuận với e(g - a)z. Tại z = L, hàm sóng có giá trị A.e(j).L. Giả sử mặt bên phải của hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ là r2, sóng phản xạ theo chiều bên trái sẽ là : E - (z) = r2.A.e(j._.