Bộ biến đổi quang điện

bộ biến đổi quang điện Chương1: KHáI QUáT Về THÔNG TIN QUANG I. Khái quát Do sự phát triển của hệ thống truyền dẫn, đòi hỏi tổ chức các luồng kênh cực lớn. Với kỹ thuật thông tin quang người ta cũng có thể tạo ra các hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống điện. Hiện nay các hệ thống truyền dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s. Trước tiên sử dụng các khoá điện tử, rồi sau đó đến các hệ thống chuyển mạch photon “dùng ánh sáng để chuyển mạch”. Khi đó mạng thuê bao đã chuyển sang dùng cáp quang và mạng là thông tin thuần túy. Hiện nay thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Nó được ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống truyền dẫn và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá trình chuyển đổi điện quang và quang điện ở bên thu và bên phát. II. Hệ thống truyền dẫn quang Các thành phần chính của tuyến có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần. Ngoài các thành phần chủ yếu này còn có các mối hàn bộ nối quang, chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. M¹ch ®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang Tr¹m lÆp M¹ch ®iÖn Ph¸t quang ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu §Çu thu quang KhuÕch ®¹i quang Bé nèi quang Mèi hµn sîi Sîi dÉn quang Bé chia quang Bé thu quang TÝn hiÖu ®Çu vµo TÝn hiÖu ®Çu ra TuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang III. Phạm vi ứng dụng của kĩ thuật truyền dẫn quang Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Trong lĩnh vực thông tin, các hệ thống truyền dẫn quang được ứng dụng vào các hên thống trung kế giữa các hệ thống tổng đài điện thoại và các tuyến truyền dẫn đường trục có dung lượng lớnvà cự li xa. Trong mạng digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang còn được sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, hình ảnh, số liệu…. Trong mạng truyền hình cáp, sợi được sử dụng có hiệu quả, thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian bằng sóng vô tuyến. Ngoài ra sóng còn được sử dụng trong các hệ thống cự li rất ngắn để truyền cac số liệu đo lường , điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc các thông tin văn phòng trong phạm vi mạng LAN. Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành 2 loại theo phạm vi ứng dụng: hệ thống thông tin đường dài và hệ thống thông tin cù li ngắn. Hệ thống truyền dẫn gồm : cáp quang, linh kiện phát quang ở đầu phát và linh kiện thu quang ở đầu thu, các bộ nối, các chỗ hàn nốivà linh kiện thụ động. Chúng quyết định giá thành của hệ thống. Với hệ thống đường dài, tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm cách nhau 1 khoảng lặp. Vì cáp quang cần khối lượng lớn nhưng nó là phần tử quyết định giá cả. Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát có công suất lớn. Vì vậy sợi quang đơn mốt được ưu tiên sử dụng, kèm theo đó là cáac bộ hàn bộ nối đắt tiền. Điot LED Ýt được sử dụng vì công suất nhỏ, mà LD được sử dụng nhiều hơn. Điot thu cũng được lưu ý chọn có độ nhạy cao, chẳng hạn APD hoặc PIN-FET. Với hệ thống cự li ngắn thì cáp không có vai trò quyết định, mà ngược lại là các bộ nối và linh kiện thu, phát quang. Có thể sử dụng sợi quang đường kính lớn nh­ sọi đa mốt SI và GI. Công suất phát quang cũng không cần lớn, nên có thể dùng LED. Tốc độ truyền dẫn cũng không lớn, nên diot thu cũng không cần loại băng rộng và đọ nhạy cao, có thể dùng diot PIN. Nh­ vậy tuyến truyền dẫn quang trong 2 trường hợp là có những chỉ tiêu tối ưu khác nhau. IV. Các phương pháp ghép kênh 1. Ghép kênh tín hiệu điện PCM và tín hiệu quang theo thời gian Hiện nay tồn tại 2 tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mã PCM. Đó là của châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn và của Mỹ-Nhật 1,544Mb/s cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn. Vì sợi quang có tiêu hao nhỏ và độ rộng băng lớn nên có thể tăng số kênh đến 1,6 hoặc 2,2Gb/s mà không phải rút ngắn khoảng lặp. Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM bằng các xung phát đi ngày càng hẹp lại , đòi hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên rất lớn. Chỉ có sợi quang với độ rộng băng truyền dẫn rộng mới có thể cho phép truyền dẫn tín hiệu PCM tốc độ lớn hơn nh­ thế. Từ khả năng ghép thời gian trên các hệ thống truyền dẫn có thể ghép tín hiệu theo thời gian. Mỗi tín hiệu quang là chùm PCM đã qua biến đổi điẹn quang. Nhờ đó tốc độ truyền dẫn tăng lên cao hơn. 6,312 32,064 97,728 397,2 3,152 6,312 44,736 274,176 34,368 139,264 560 1,544 2,048 96 kªnh 480 kªnh 96 kªnh 5760 kªnh 1440 kªnh 480 kªnh 480 kªnh 120 kªnh 4032 kªnh 672 kªnh 1920 kªnh 7680 kªnh 24 kªnh x 64Kb/s 30 kªnh x 4 x 3 x 4 x 2 x 2 x 7 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 8,448 2.Ghép kênh theo bước sóng P1 P2 T3 T4 GhÐp-t¸ch luång P3 P4 T1 T2 l3 MULDEX l3 l4 l22 l1 l1 l22 l4 MULDEX GhÐp-t¸ch luång SQ Nguyªn lý ghÐp kªnh theo b­íc sãng Trong phương pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng 2 sợi quang cho hai hướng thu phát độc lập. Ngoài ra thực hiện thu phát kênh theo bước sóng để thực hiện truyền dẫn 2 chiều theo cùng 1 sợi quang. Nhiều tín hiệu PCM ghép theo thời gian sẽ được truyền dẫn cùng 1 sợi quang nhờ ghép vào các bước sóng khác nhau nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị ở hình dưới. Các thiết bị ghép và tách luồng MULDEX là các bộ lọc ánh sáng. Máy phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bước sóng l1, l2. Còn ở đầu kia máy phát P3,P4 bức xạ ánh sáng bước sóng l3,l4. Các tần số quang được các bộ lọc ở 2 đầu đường dây tách ra. Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái sinh sau đó ghép trở lại đi trên tuyến chung. 3. Phương pháp ghép luồng rẽ hướng T1 T2 P1 P2 2 G1 G2 1 2 Nguyªn lÝ ghÐp t¸ch luång Hai luồng quang 1và 2 hòan tòan độc lập với bước sóng sử dụng và phương pháp ghép kênh tín hiệu điện, được tách thành luồng quang đi và luồng đến. Hai gương ở đầu thu G1, G2 là loại thu một chiều . Một gương sẽ cho luồng béc xạ phát của máy phát tại đó đi qua và một phần tổn thất ra ngoài, không lọt vào điôt thu. Các gương làm nhiệm vụ tách luồng thu và phát được trên cùng một sợi quang. Các phương pháp trên độc lập nhau, nên có thể kết hợp chung để sử dụng, tăng hiệu suất cho sợi . V. Phân loại các hệ thống truyền dẫn quang 1. Phân loại theo dạng tín hiệu điện Tín hiệu đưa vào điều biến có thể là analog hoặc digital. Hệ thống analog Ýt được chế tạo sử dụng, nhất là hệ thống băng tần tín hiệu rất rộng vì đặc tính công tácphi tuyến của diot laser phát, của diot thu quang, ảnh hưởng của tán xạ sợi quang.... Các hệ thống thu quang dải rộng hiện nay truyền dẫn digital dưới dạng ghép kênh PCM theo các cấp tiêu chuẩn. 2.Theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu biên Theo phương pháp điều biến quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu nên phân ra các loại sau: a. Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực hiện điều biến trực tiếp các diot laser. Các tín hiệu điện điều biến vào cường độ bức xạ nguồn quang. ở đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp trên diot quang từ công suất quang dưa vào. Các phần tử của hệ thống làm việc ở chế độ dơn mốt "một tần số" mà vẫn đẩm bảo khả năng truyền dẫn. Nhưng các hệ thống có tốc độ cực lớn thì bị hạn chế về độ nhạy về độ rộng băng truyền dẫn và cự li khỏang lặp. b. Hệ thống thu kết hợp: Phương pháp này điều biến gián tiếp nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu điện và luồng bức xạ quang dơn sắc đưa vào được điều biến trong bộ điều biến quang. Ở đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang được đưa vào bộ trọn là diot quang cùng với nguồnquang đơn sắc của bộ phát quang nội để lấy ở đầu ra một tần số trung gian, được đưa đến mạch tách sóng để tách ra tín hiệu điện ban đầu. Ph¸t l1 f1 Thu l0 f0 §i«t trén Nguyªn lÝ thu kÕt hîp Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bước sóng l1 tương ứng phần bước sóng f1 điều biến tải tin có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha. Tại đầu thu có bộ phát quang nội, phát xạ tia có bước sóng lo tương ứng fo. Cả f1, fo đưa vào bộ trộn là diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn đủ lớn cỡ 10GHz. Đủ để mang tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn. Nhưng cũng không quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại củamạch khuếch đại điện tử. Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu được tín hiệu ban đầu. So với phương pháp trực tiếp thì phương pháp này có độ nhạy cao hơn, tỉ số tín hiện nhiễu S/N lớn hơn nên tăng cự li trạm lặp nên có thể truyền các tín hiệu băng tần rất rộng. Hiện nó đang được sử dụng rộng rãi 3. Theo tốc độ và cự li truyền dẫn Các hệ thống đường dài chủ yếu đươch sử dụng trên mạng điện bao gồm các mạng két nối truyền dẫn giừa các vùng, mạng trung kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và các mạng phân phối truyền hình. Hiện nay có thể phân phối thành các loại: Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s hoặc dung lượng trung bình với tốc độ34Mb/s sử dụng trên mạng thuê bao ISDN và mạng trung kế giữa các tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km trong thành phố hoặc 20_30km ở vùng nông thôn , không có trạm lặp. Các hệ thống liên tỉnh với dung lượng rất lớn và tốc độ truyền dẫn 140Mb/s trở lên, cự li truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuốivà các trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn hơn 50km cho đến hàng trăm km. Đặc biệt các hệ thống cáp quang quốc tế dưới biển hiện nay đều được thiết kế với tốc độ 280,420,565,1200 và 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40-->400km. VI. Các thế hệ phát triển của hệ thống truyền dẫn quang 1. Thế hệ thứ nhất Bắt đầu từ những năm 1970. Sợi sử dung chủ yếu là loại SI hoặc GI, bước sóng ngắn 0,85mm. Linh kiện pháp là LD hoặc LED. Linh kiện thu là diot quang Si. Vì có ảnh hưởng của tán xạ vật liệu và tán xạ mốt. Nên tích số độ rộng băng (B) và độ dài khỏang lặp (L) nhá. BL=400-->1200MHz. Tán xạ và tiêu hao của sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền và cự li khỏang lặp. Hệ thống có dung lượng nhỏ và trung bình, chủ yếu sử dụng trong mạng trung kế và tổng đài. 2.Thế hệ thứ hai Nhờ tiến bộ của công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bước sóng dài 1,3mm. Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát là LD,LED loại InGaAsP. Linh kiện thu là APD Hoặc PIN nhóm III-IV hoặc tổ hợp PIN-GaAsMESFET. Không còn tán xạ vật liệu, còn tán xạ mốt, tích số BL tăng lên. Tốc độ truyền trung bình 34Mb/s cù li trung bình 3km. 3. Thế hệ thứ ba Sử dụng sợi đơn mốt SM, bước sóng dài 1,3mm.Không còn tán xạ mốt và vật liệu. Tán xạ tổng cộng rất bé. Hệ thống dùng cho đường trục với dung lượng lớn, tốc độ truyền dẫn cao và vượt cự li xa. Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung bình và độ rộng phổ bức xạ, do đó muốn tăng L thì giảm tán xạ của sợi quang hoặc gỏam độ rộng phổ bức xạ. Nếu sử dụng LD cộng hưởng Fabry-Perot thông thường (FP-LD) đạt cự li 50-60km cho hệ thống 140MB/s ở bứoc sóng 1,3mm Nếu tốc độ cao 400MB/s và 565MB/s để cự li 50km. Khi dùng FP-LD thì phải chọn và điều khiển cáp có tán xạ nhỏ và độ rộng phổ nhỏ, cáp được lắp đặt tốt. Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km thì chọn nguồn bức xạ có độ rộng phổ nhỏ. Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L do tán xạ tăng, gây ra tạp âm phân bố mốt. Thế hệ này được sử dụng rộng rãi trên thế giới. 4. Thế hệ thứ tư Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn thì phải: Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ. Sợi quang đơn mốt có tán xạ dịch chuyển DS-SM được sử dụng. Sử dông diot laser phát tin cậy, có độ rộng phổ bức xạ bé, đơn mốt. Các diot laser BH-LD và DFB-LD được chọn. Chọn diot thu quang có độ nhạy cao. Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớp InGaAsP có tạp âm nội và dòng tối nhỏ. Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với GaAs-MESFET làm bộ tiền khuếch đại có trở kháng vào cao và điện dung kÝ sinh nhá. Cho phép tăng đọ nhạy thu. 5. Xu thế phát triển của hệ thống truyền dẫn quang tương lai - Sử dụng kĩ thuật phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có. Mỗi kênh quang cần có bộ lặp trung gian riêng. Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít của mỗi kênh rất lớn. - Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent, nhờ đạt mật độ kênh rất cao. Trong tương lai phương pháp Coherent đóng vai trò chủ yếu vì tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB. Cù li khỏang lặp kéo dài đáng kể . Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km Truyền dẫn 36bit/s và 400Mbit/s vượt khỏang lặp 300km. Khó khăn là chế tạo diot leser bức xạ ánh sáng kết hợp chất lương cao. - Phát triển các loại sợi quang trên vật liệu mới Flor(F) thay SiO2, đạt giá trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km. - Phát triển vi mạch quang. Tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Sử dụng cách thức mới sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng VII. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại. Đường kính mẫu của sợi quang là 0,1mm nhỏ hơn nhiều cáp đồng trục có đường kính là 10mm. Do nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo Ýt, lại được lắp đặt dễ dàng ngay cả bằng tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng cường được nhiều kênh truyền mà tăng đường kính Ýt. Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn mòn nếu lớp ngoài bảo vệ có hư hỏng thì bên trong sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn hoạt động được . Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập mạch. Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ bị ảnh hưởng của điện từ bên ngoài. Nên có thể sử dụng ở những nơi có nhiễu điện từ trường mạnh nh­ là trong nhà máy, nhà máy điện … Vì nhẹ và không ảnh hưởng của điện từ nên được dùng trong máy bay, tàu thuỷ, trong công nghiệp truyền số liệu. Vì không gây nhiễu ra bên ngoài và không gây xuyên âm giữa các sợi quang nên bảo đảm không bị nghe trém. Vì là sợi điện môi nên đầu vào và ra cách điện nhau không có mạch vòng chạy qua đất. Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Tiêu hao nhá trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi có cùng chi phí xây dựng. Vì tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn. VIII. Nhược điểm Truyền dẫn quang đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn và tốn kém. Nước ta là nước đang pháp triển nên vấn đề này gặp nhiều khó khăn. Lắp đặt giữa các sợi quang đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thì đắt tiền Chương 2: Sợi quang I. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo và phân loại 1. Nguyên lí Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trừơng. Khi nó đi từ môi trường chiết suất cao hơn sang môi trường chiết suất thấp hơn để truyền ánh sáng trong sợi quang 2.Cấu tạo a dk dm Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n, bán kính là a, đương kính là dk. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết suất n2 < n1 có đường kính là dm Độ lệch chiết suất tuyệt đối Dn = n1 – n2 Độ lệch chiết suất tương đối D = Dn/n1 Hai tham số này đặc trưng cho khả năng truyền dẫn của sợi quang. Những đường kính thông dụng của sợi quang Lõi từ 8 – 10 / 125 mm: là sợi đơn mốt nó truyền thông tin với tốc độ cao nhất và suy hao thấp nhất. Nó được sử dụng cho những khoảng cách lớn hoặc trong truyền số liệu tốc độ cao. Do lõi nhỏ nên đòi hỏi độ chính xác mối hàn cao. Lõi 50/125 mm: loại này sử dụng rộng rãi. Do góc mở ( nA) thấp và kích thước lõi nhỏ nên chỉ cần lượng ánh sáng tối thiểu cho một sợi đa mốt. Trong tất cả các loại sợi đa mốt thì loại này có băng thông rộng nhất. Lõi 62,5/125 mm: Loại này băng thông Ýt hơn loại 50/125 mm nhưng lại Ýt nhạy cảm với uốn cong. Góc mở (nA) cao hơn đường kính lõi nên làm cho loại này có công suất ghép nối ánh sáng tốt hơn một Ýt loại 50/125 mm. Loại 80/125 mm có khả năng kết nối ánh sáng tốt. Lõi 100/140 mm : đường kính lõi lớn làm cho loại này rễ kết nối nhất nhưng lại Ýt nhậy cảm với độ chính xác. Nó tập trung được hầu hết ánh sáng từ nguồn nhưng lại có băng thông hẹp so với các loại trên. Nó được sử dụng ở những khoảng cách độ dài trung bình tốc độ thấp. Loại này Ýt thông dụng Bảng phân loại các loại sợi Lõi (mm) NA Tổn hao Băng thông Bước sóng 8 – 10 Nhỏ nhất Thấp nhất Cao nhất 1310 – 1550 50 Nhỏ hơn Thấp hơn Cao hơn 850 – 1310 62,5 Trung bình Thấp Thấp 850 – 1310 85 Lớn Cao Thấp hơn 850 – 1310 100 Lớn nhát Cao nhất Thấp nhất 850 – 1310 3. Phân loại sợi quang Theo cấu tạo : theo kích thước ruột và vỏ, theo vật liệu sử dụng và theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi. Theo đặc tính truyền dẫn: theo sợi đơn mốt, đa mốt. Phân loại theo đa mốt, đơn mốt Đặc điểm của sợi đa mốt là truyền dẫn đồng thời nhiều mốt, còn sợi đơn mốt thì truyền duy nhất một mốt. Sợi đa mốt có đường kính ruột dk khá lớn, còn sợi đơn mốt thì nhỏ hơn. Trong sợi đa mốt có nhiều tia sáng được truyền dẫn theo các đường khác nhau. Còn sợi đơn mốt thì chạy song song với trục của sợi . Theo sự biên thiên của chiết suất trong ruột sợi. Người ta chia ra chiết suất bậc SI (Step Index) và chiết suất biến thiên đều GI ( Graded Index). Trong sợi SI chiết suất ruột n1 không thay đổi và vì n1 > n2 nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy. Trong sợi GI có chiết suất n1 của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần đến mặt phân cách vỏ ruột thì bằng giá giá trị n2 của vỏ, sợi đơn mốt đực chế tạo từ sợi GI. Ta tạm chia làm 3 loại Sợi đa mốt chiết suất SI – MM ( Multi Modes) Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI – MM Sợi đơn mốt SI – SM (Single mode) r n n1 n2 Xung vµo Xung ra Sîi SIMM Sîi GIMM Sîi SISM Sự biến thiên chiết suất của sợi biểu thị qua công thức: n(r) = n1. cho |r| ≤ a n(r) = n2 cho |r| > a Khi g nhỏ thì công thức trên là sợi là sợi GI > Nhưng khi g -> oo thì n(r)àlà sợi SI. Thực tế với g≥ 10 coi là sợi SI trong thông tin đường dài g =2. Đặc tuyến truyền tốt 1≤ g ≤3. Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết suất n= = 1,5. Với er là hằng só điện môi tương đối của vật liệu .Thực tế chiét suất còn thay đổi theo bước sóng công tác. l/mm n 1,46 1,45 1,44 1 1,6 Muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột vỏ từ cùng thuỷ tinh thạch anh , ta cho thêm hoạt chất vào Cho GeO2 làm tăng chiết suất . Cho Flurit(F) làm giảm chiết suất . II. Các đặc tính và tham số của sợi quang 1. Sù lan truyền ánh sáng trong sợi quang Trong sợi đa mốt : Trong sợi SI_MM Xét hình bỏ dọc trục sợi Nguån bøc x¹ Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang, phải di qua môi trương không khí , có chiết suất nk=1 rồi đi vào môi trường sợi có n1>nk. Khi vào các tia bị khúc xạ ,chùm ánh sáng vào là chùm các vô số các góc tới khác nhau. Để các tai này lan truyền được thì mặt phân cách thoả mãn diều kiện phản xạ toàn phần góc tới hạn sinaT=n2/n1. Các tia muốn lan truyền được thì góc tới a,T >aT và góc nghiêng: 0≤ aA≤aA max ở sợi GI dùng thuỷ tinh thạnh anh thì Dn/n1 0.001à0,003 . Do vậy góc ngiêng aAmax=8oà14o Kết quả tính toán cho giá trị qmax=arcsinn1.=arcsin với D=(n12-n22 )/2n12. Muốn các tia được truyền dẫn còn phản xạ trên mặt phân cách vỏ ruột thì các tia đưa vào sợi phải nằm trên hình nón với các tia nửa góc mở là qmax ở đầu cuối dây. Để đặc trưng cho khả năng cho khả năng ghép nguồn bức xạ quang vào sợi . Đại lượng đặc trưng cho sợi là độ mở ( hay khẩu độ số ): DN =sinqmax. Khi DN tăng thì qmax tăng. Các tia khi phản xạ đều đi qua trục sợi là tia kinh tuyến, còn các tia mà phản xạ mà không đi qua trục sợi , khi phản xạ nhiều lần có xu hướng đến gần một hình tròn tới hạn mà nằm trên một mặt phẳng như tia kinh tuyến gọi là tia nghiêng. Các tia chạy với đường dích dắc khác nhau. Đến cuối sợi với quãng đường khác nhau nhưng vận tốc là không đổi v=c/n1=const. Khi chiết suất ruột biến thiên, nên vận tốc trong ruột cũng biến thiên theo bán kính r : v=c/n1(r)=v(r). ở sợi GI tia chạy theo dạng hình sóng, với chu kì vài khoảng vài milimet. 1 3 2 r n Tia 1: là tia dọc trục . Tia 2: là tia không đến mặt giới hạn vỏ ruột Tia 3: là tia vừa đạt đến mặt giới hạn vỏ ruột Muốn tia sáng không tiếp xúc với mặt phân cách vỏ ruột thì phụ thuộc vào tia sáng đưa vào sợi và độ mở sợi(q). Các tia dọc trục có đường đi ngắn nhất nhưng vận tốc là nhỏ nhất, vì n(r)=no=max. Các tia khác có đường đi dài hơn nhưng tốc độ lớn hơn. Nên trong sợi SI có sự bù trừ cho nhau về thời gian, và sự trênh lệch thời gian trong sợi GI < trong sợi SI. Chiết suất biến thiên theo hàm gần parabol Sợi SI có nhược điểm là ánh sáng đưa vào mặt cách của sợi trên mộ mặt cách nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ nhọn hơn Trong sợi đơn mốt các tia không thể lan truyền dưới các góc bất kì mà chỉ lan truyền theo các hướng nào đó để các tia thành phần không triệt tiêu nhau . Số mốt được lan truyền phụ thuộc vào tỉ số của đường kính sợi và bước sóng công tác .Tham số công tác g g =pdkn1//l. Để đạt được chế độ đơn mốt thì g phải nhỏ hơn giá trị tới hạn g G (chiết suất bậc thông dụng) g < g G=2,405. Với sợi SI : M=g2/4 Với sợi GI :M=v2.g/2(g+2) 2.Sù lan truyền các mốt trong sợi quang Mốt là trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng của Măcwel và điều kiện bờ là từ sợi quang Khi lan truyền thì năng lượng tập trung trong ruột sợi , còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra các mốt rò và mốt vỏ thì bị dập tắt ngay . Ta chỉ chú đến mốt lan truyền trong ruột sợi. Các mốt lan truyền có đặc tính sau: Mỗi mốt có sự phân bố năng lượng điện trường riêng trên mặt của sợi và không dổi dọc theo trục của sợi trong khi lan truyền. Các mốt hoàn toàn độc lập nhau. Mỗi mốt có tốc độ lan truyên riêng. Mỗi mốt chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng thoả mãn điều kiện l < lG. Trong chế tạo , có những chỗ không đồng nhất gây ra sù thay đổi chiết suất n1 của ruột sợi. ảnh hưởng đến điều kiện lan truyền của các sóng ánh sáng. Khi lan truyền thì các mốt không còn độc lập với nhau nữa mà giữa chúng có sự trao đổi năng lượng qua lại, gọi là trộn mốt. Hiện tượng này có lợi khi lan truyền các sợi đa mốt ở cự li dài, một số mốt mất đi. Giảm ảnh hưởng tán xạ của đa mốt. Nh­ vậy với mỗi sợi quang chỉ xác định được một ngưỡng lG2 để bên trên nó chỉ tồn tại mọt mốt lan truyên. III. Suy hao Suy hao trên sợi dẫn quang có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống là tham số xác định khoảng casxh giữa phía thu và bên phát . Suy hao sợi hay suy hao tín hiệu bằng công suất đầu ra, vào và chiều dài L là a=10.log(Pvào/Pra)/L. 1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang a. Do tạp chất : trong thuỷ tinh có tạp chất làm tăng đặc tính suy hao: nước, coban, ion sắt,…Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20dB/km thì sự có mặt của nước Ýt hơn nài phần tỉ. Có thể đạt được nhờ chế tạo từ phương pháp MCVD. Vời mức tạp chất này làm cho đường cing suy hao sẽ trơn hơn tại các đỉnh và khe suy hao. Suy hao Uèn cong do t¹p chÊt HÊp thô vËt liÖu B­íc sãng HÊp thô ®iÖn tö T¸n x¹ Rayleigh b. Hấp thụ vật liệu: ở bước sóng dài sẽ cho suy hao nhỏ hơn. Nhưng các liên kết nguyên tử lại kiên quan đến vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của liên kết hấp thụ nằm ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ vẫn ảnh hưởng và kéo dài đến bước sóng1550nm. ở vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể . c. Hấp thụ điện tử : Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các diện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Lúc này bờ cực tím của dải hấp thụ điện tử của hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có quan hệ a=c.eE/Eo. Với C,Eo là hằng số rót ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon Dặc tuyến đi xuống theo hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng. 2. Suy hao do tán xạ Là do tính không đồng đều rất ngỏ của sợi quang gây ra. Suy hao này làm giảm1/4 công suất bước sóng. Suy hao tá xạ tại bước sóng l: a =8p3(n2-1)2kB.TF.bT/3l4. Với n: chiết suất, kB: hăng số bonzoman, bT: hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu, TF: nhiệt độ hư cấu 3. Suy hao do uốn cong sợi Là suy hao ngoài bản chất của sợi , khi bất kì sợi dẫn quang nào cũng bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định. Thì sẽ bị phát xạ tín hiệu ra bên ngoài vỏ của sợi, nên ánh sáng lantruyền sẽ bị suy hao. Có hai loại uốn cong. Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong tương đối lớn hoặc lớn hơn đường kính sợi . Vi uốn cong: là sợi uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, nó hay xảy ra trong lúc bọc thành cáp. Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể xảy ra khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trí bị uốn cong. lâi Vá ph¶n x¹ Vá ph¶n x¹ lâi Nếu sợi bị uốn cong Ýt, giá trị suy hao xảy ra là Ýt và khó có thể thấy được . Một dạng khác của suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là suy hao do uốn cong ngẫu nhiên gây ra. Vi uốn cong là sự dao động trong phạm vi nhỏ của trục sợi, chúng nẩy sinh khi không đồng đều trong chế tạo sợi cũng nh­ khi có áp lực bên trong đều trong lúc bọc cáp. Để giảm vi uốn cong là bọc một lớp vỏ có khả năng chịu nén cho sợi, khi có lực bên ngoài tác động vào. Với sợi đa mốt có bán kính lõi a, vỏ là b, chênh lệch chiết suất là D thì suy hao do uốn cong am=[1+ p.D2.(b/a)4.Ef/Ej]-2. Với Ef, Ej là các modul Young của vỏ bảo vệ và sợi. Vi uèn cong suy hao c«ng suÊt tõ c¸c mèt bËc cao vá Uốn cong và vi uốn cong đều có thể gây suy hao. Giá trị suy hao tuỳ thuộc vào bán kính uốn cong của sợi, bán kính càng nhỏ thì suy hao càng lớn. IV. Tán xạ trong sợi quang 1. hiện tượng và nguyên nhân ảnh hưởng Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng xung ánh sáng ở đầu thu và các xung lân cận có thể đè lên nhau. Khi đó không phân biệt dduwowcjcasc xung với nhau, gây méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng dãn xung gọi là tán xạ. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau do các thành phần ánh sánh phát đi đồng thời. Tán xạ ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. khi truyền dẫn tín hiệu số miền thời gian nó gây ra có sự dãn rộng các xung ánh sáng. khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ và có hiện tượng dịch pha . Độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn. 2. Phân loại tán xạ Tán xạ vật liệu. Tán xạ mốt, còn gọi là tán xạ đa mốt. Tán xạ mặt cắt . Tán xạ sợi dẫn quang. 3. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tóc độ truyền dẫn bit. Xét truyền dẫn tín hiệu số. Coi xung phát có độ rộng zS , xung thu có độ rộng zE. Khi đó khi thu về xung bị dãn rông do tán xạ với độ dãn rộng(thời gian) là z: được tính theo công thức z= . Trường hợp xung phát hẹp zS<< zE. Coi gần đúng z= zE. Độ dãn xung thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu do sợi gây ra vì nó ảnh hưởng đến độ rộnh băng truyền dẫn và tốc độ truyền bit. Hàm truyền đạt biên độ là H(f)=Pn(f)/Pn(f=o)=e3,5ffzz. Pn(f): là công suất xoay chiều ở tần số f . Thực tế có nhiều loại tán xạ cùng tác động, cũng gây méo qua các xung thành phần z1,z2.... thì tán xạ tổng cộng là z2= z12+ z22+ z32+… Và độ rộng băng truyền là B1, B2,…thì 1/B2= 1/B12+ 1/B22+… B fB f H(f) Hµm truyÒn ®¹t biªn ®é cña sîi quang Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu váo của máy thu bị dãn rộng, nhưng hai xung kề nhau thì phân biệt được. Khi dó tốc độ bit là c=1/z(s)=2,26B. Nh­ vậy độ rộng xung z, độ rộng băng truyền dẫn B và tốc độ C có quan hệ với nhau. Thực tế tốc độ truyền bit lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Muốn sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit lới thì phải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung bé nhất. 4. Hiện tượng tán xạ vật liệu Nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng duy nhất một bước sóng lo thì không có hiện tượng lệch thời gian truyền dẫn giữa các xung thành phần của xung ánh sáng. Thế nhưng các nguồn phát quang : LED, diot Laser không phải chỉ bức xạ một vạch phổ ứng với bước sóng lo mà bước sóng một dải D giảm quanh bước sóng lo ở mức 0,5 nh­ hình vẽ . 1 0,5 L/P LD LED Phæ bøc x¹ cña LD vµ LED Dl Dl lo l Phæ cña bøc x¹ LED vµ LD. Giá trị độ rộng phổ tương đối Dl /l0, của diot phát là : Dl/l0(LED)=0,05 và Dl/l0(LD)=0,01. Vận tóc pha của mỗi bước sóng trong dải phổ Dl sẽ biến đổi theo bước sóng : Vph=Vph(l)= c/n1(l). Vận tốc truyền nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm nn(l): Vn(l1)=c/nn(l1) và Vn(l2)=c/nn(l) với nn_(l)= n(l)-l.dn1(l)/dl. Hệ số tán xạ vật liệu là M= M(l) cho biết dộ lệch thời gian khi lan truyền xung ánh sáng trên độ dài 1km sợi quang với phổ bức xạ của nguồn phát quang rông 1nm. Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào của máy thu chính là độ lệch thời gian truyền nhóm và có: z= M(l).Dl.L=z’.L (z’: độ dãn xung khi lan truyền qua 1nm). Độ dãn xung e (tán xạ ) gây méo xung truyền dẫn, nó vừa hạn chế cự li truyền vừa hạn chế độ rộng băng truyền dẫn. Ta đưa ra khái niệm tích số đọ rộng băng với chiều dài truyền dẫn B’= B.L= L/2,26. Hệ số tán xạ M phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi. SiO2 SiO2+15%mol GeO2 M l/mm 50 0 100 -50 1 1,4 1,6 HÖ sè t¸n x¹ vËt liÖu cña c¸c vËt liÖu Với bước sóng 1,3mm thì thuỷ tinh thạch anh có M=0, hay ở bước sóng 1,3mm không có tán xạ vật liệu. Do đó mà cửa sổ truyền dẫn quanh bước sóng 1,3 mm thường dược chọn cho các hệ số truyền dẫn đường dài với dung lượng lớn. Không có tán xạ vật liệu, không sợ ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn, chỉ chú Ý đến tiêu hao tín hiệu . 5. Hiện tượng tán xạ mốt Chỉ xuất hiện ở sợi đa mốt. Các thành phần ánh sáng truyền là nhờ các mốt riêng rẻ với thời gian khác nhau. Có sự trênh lệch thời gian sinh re méo xung. Dạng xung đầu vào phụ thuộc vào 2 yếu tố : Thành phần công suất từ nguồn phát quang ghép vào sợi Sự phân bố các mốt truyền dẫn trên sợi quang . Coi sợi quang là lí tưởng, không gây ra trộn mốt với nhau, coi chiết suất phụ thuộc vào bước sóng, thì sự trênh lệch thời gian giữa tia nhanh nhất và tia chậm nhất là Dt=L.(n1-n2)/c. Với sợi SI có n1-n2=0,012 thì xung ánh sáng tới đầu vào bị dãn rộng là Dt/L=40ns/km. Nh­ vậy tán xạ mốt của sợi chiết suất bậc là lớn nhất. ánh sáng trong sợi GI lan truyền treo các đường cong dạng sin. Thời gian lan truyền các tia tương đối đều nhau hơn. Nếu g=2 thì thời gian lệch giữa tai nhanh nhất và chậm nhất là Dt=L.(n1-n2)2/2c. Nếu n1-n2 =0,012 thì xung ánh sáng tới đầu thu bị tán xạ là Dt= 0,24ns/km<< so với đa mốt chiết suất bậc. 0,01 1 z, ns g 2 3 0,1 1 D=0,01 n0=1,5 Sù phô thuéc cña t¸n x¹ mèt vµo tham sè mÆt c¾t chiÕt suÊt 6. Hiện tượng tán xạ mặt cắt Chiết xuất n1, n2 của ruột và vỏ biến thiên bước sóng không cùng một mức nh­ nhau, nên giá trị cũng thay đổi theo bước sóng, gây ra hiện tượng tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt, Đặc trưng cho tham số tán xạ P= .. Từ ảnh hưởng phụ của tán xạ mặt cắt, ta thaasy rằng mỗi sợi quang có độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất tại một bước sóng cụ thể. Vậy mỗi loại sợi quang đa mốt được chế tạo sẽ được tối ưu cho một vùng bước sóng công tác. l/mm 1,6 0,1 0 -0,1 1,4 1,2 1 P Sù phô thuéc cña tham sè t¸n x¹mÆt c¾t vµo b­íc sãng 7. Hiện tượng tán xạ sợi dẫn quang Sự phân bố của trường và hằng số truyền lan của các mốt phụ thuộc vào đường kính ruột dK của một loại sợi không đổi , các mốt lan truyền với bước sóng l lệch nhau một chút. Vận tốc pha vá vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng . Nh­ thế xung bị dãn rộng (tán xạ) do vận tốc. Thời gian truyền nhóm biến đổi phụ thuộc vào bước sóng. Với sợi đa mốt có đường kính ruột lớn thì ảnh hưởng của tán xạ này rất nhỏ. Trong sợi đa mốt có đường kính ruột nhỏ thì tán xạ có ảnh hưởng đáng kể. Điều chú Ý ở đây là do ruột có sợi quá nhỏ, khi truyền dẫn thì có một phần ánh sáng lọt ra vỏ , vẫn lan truyền trong lớp tiếp giáp vỏ ruột, có chiết suất thay đổi. Với sợi đơn mốt có chiết suất bậc thì trị số tán xạ có sẵn và không dổi nữa. Trong một số loại sợi đơn mốt người ta sẽ thiết kế chế tạo để tán xạ sợi dẫn bù trừ tán xạ vật liệu, để giảm tán xạ tổng cộng ở một số bước sóng cần thiết nào đó. 8. ảnh hưởng của sự trộn mốt vào tán xạ mốt trong sợi đa mốt Khi không có hiện tượng trộn mốt thì giá trị tán xạ tăng tuyến tính với chiều dài của sợi, nên vừa hạn chế băng tần truyền dẫn vừa hạn chế cự li truyền dẫn. Thực tế sợi không phải thẳng một cánh lí tưởng, cũng nh­ không phải lúc nào cũng là dạng hình trụ, mà thường có chỗ uốn cong nhỏ hoặc thiết diện có dạng elip,… Sẽ làm thay đổi một phần tia sáng đi qua đoạn sợi. Nên gây ra sự trộn mốt, nó vừa có tác dụng vừa có hại: Các mốt bậc cao sẽ bị ảnh hưởng nhiễu, rất dễ vượt qua ruột sợi nên các mốt bậc cao còn lại năng lượng rất nhỏ. 9. kết luận Tán xạ mốt chỉ xuất hiện ở sợi đa mốt , nguyên nhân là do thời gian chạy của các thành phần sóng phụ thuộc vào các mốt . Nó phụ thuộc vào cấu trúc sợi quang, phụ thuộc vào sự biến thiên của hàm số chiết suất trong sợi SI thì tán xạ trên 1km sợi dài gần như không đổi. Sợi GI thì cho tán xạ cực tiểu tại tham số mặt cắt tói ưu. Tấn xạ có tác động hạn chế độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất tại một bước sóng nhất định. Không có sợi GI nào có độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất tại hai vùng bước sóng công tác khác nhau. Tán xạ xuất hiện ở cả sợi đa mốt và đơn mốt, bên cạnh là tán xạ sợi dẫn quang, là do chiết suất phụ thuộc vào bước sóng công tasc. Tán xạ sợi dẫn quang là do hằng số truyền dẫn của mốt phụ thuộc vào bước sóng. Nh­ vậy tán xạ vật liệu và sợi dẫn quang phụ thuộc vào độ rộng phổ bức xạ của nguồn bức xạ quang(LED, LD). Tán xạ sợi dẫn quang là không đáng kể với sợi đa mốt. Sợi SI tán xạ mốt lớn hơn nhiều tán xạ vật liệu. Sợi GI tán xạ vật liệu ảnh hưởng lớn còn phụ thuộc vào vật liệu. Sợi có độ rộnh băng truyền dẫn lớn tại các bước sóng có tiêu hao truyền dẫn nhỏ,nâng cao năng lực truyền dẫn cho sợi. Để đạt điều này, người ta chế tạo sợi có cấu tạo đặc biệt và chiết suất biến đổi phức tạp. V. So sánh các loại sợi dẫn quang Sợi đơn mốt SI truyền dẫn rát nhiều mốt, tán xạ và tiêu hao vật liều lớn. Giá trị tích số B.L khỏang 10-->20 MHz. Chỉ được sử dụng cho các hệ thống truỳen dẫn tốc độ bé và cự li ngắn. Sợi đơn mốt GI, tán xạ mốt nhỏ. Tán xạ vật liệu bằng không ở l=1,304mm. Do vậy tích số B.L là lớn nhất tới 2000MHz. ở vùng l=1,3mm. Khi sử dụng diot laser có độ rộng phổ bức xạ hẹp vài nm thì tán xạ vật liệu rất nhỏ. Sợi có thể sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn đường dài dung lượng lớn ở cả 0,85mm và 1,3mm . Sợi đơn mốt không có tán xạ mốt. Tán xạ chủ yếu là tán xạ vật liệuvà tán xạ sợi dẫn sóng. ở bước sóng trên 1mm sợi công tác ở chế độ đơn mốt , vói tán xạ này tiêu hao đều rất bé. Tích số B.L tói hàng trăm GHz. ở l=1,055mm thì tiêu hao nhỏ nhất. Nên có xu hướng chế tạo sợi tán xạ dịch chuyển có tán xạ bằng không ở 1,5mm và được chú ý cho các hệ thống hiện đại. Trong các hệ thóng truyền dẫn cự li lớn trên khỏang cách xa thì xu hướng hiện nay sử dụng đơn mốt ở l=1,3mm hoặc sợi có tán xạ dịch chuyển ở 1,55mm. Khi sử dụng laser phát đơn mốt thì ảnh hưởng của tán xạ là rất bé, sẽ phát huy ưu điểm tối đa của sợi đơn mốt Chương 3: CáP QUANG I. Đặc điểm, yêu cầu của cáp quang Cáp quang cần có yêu cầu, đặc điểm riêng SƠIS cần đáp ứng. Lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ánh hưởng của môi trường. Cần đáp ứng các yêu cầu sau : Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Không thấm nước , lọt nước . Chống được các tác động cơ học: va trạm, lực kéo, lực nén, lực uốn cong… ổn định khi nhiệt độ thay đổi. Ýt bị lão hoá, có thời gian làm việc lâu. Trọng lượng nhỏ và kích thước bé . Sợi quang được thiết kế ngặt nghèo đảm bảo về cơ học và truyền dẫn: Sợi quang là vật liệu cách điện nên Ýt nhạy với nhiễu điện từ. Nên trong cáp không cần có lớp bao tre nh­ với cáp kim loại. Sợi quang nhá, Ýt tốn nguyên liệu. Xét về cùng khả năng truyền dẫn thì 1gam thủy tinh làm sợi dẫn thay thế được vài kg đồng kim loại . Nên sợiquang sẽ nhẹ và gọn hơn nhiều cáp kim loại. Về kinh tế thì nó rất ưu việt. Sợi quang rất ròn, bị tác động của hơi nước, bị tác động của nước. Lớp vỏ được làm để tránh tác động của độ Èm,t¨ng độ bền cơ học lại dễ uốn cong sợi.Nên lớp bảo vệ tránh được tác động của độ Èm, tăng độ bền cơ học, lại dễ uốn cong được. Xét về phương diện truyền sóng , nếu sợi bị uốn cong nhỏ , thì năng lượng truyền lọy từ ruột ra vỏ ggây ra tiêu hao phụ. Nếu bán kính uốn cong 60mm thì tiêu hao phụ có thể bỏ qua. Nếu bán kính uốn cong là 30mm thì đặc tuyến truyền đạt bị ảnh hưởng đáng kể. Nếu sợi quang trong cáp không được bảo vệ cẩn thấnẽ chịu tác động ở bên ngoài: lực tác động ngang, sợi uốn cong tại một chỗ nào đó, hoặc khi sợi cáp uốn cong với bán kính nhỏ, sợi cũng bị uốn theo.... sinh tiêu hao phô. II. Phân loại cáp quang 1.Theo cấu trúc Cáp có cấu trúc cổ điển: Các sợi hoặc nhóm sợi phân bố theo hướng đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm. Hiên nay loại này rất phổ biến. Cáp có lõi trục có rãnh: các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên các rãnh có sẵn trên một lõi của cáp. Cáp có cấu trúc băng dẹp: nhiều sợi quang được đặt trên một băng, và trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau. Cáp có cấu trúc đặc biệt: do nhu cầu, để cấp nguồn đi xa, để cảnh báo, để làm đường nghiệp vụ,…hoặc cáp đi trong nhà, chỉ cần hai sợi quang là đủ,… 2. Phân loại theo mục đích sử dụng Cáp dùng trong mạng thuê bao nội hạt. nông thôn. Cáp trung kế giữa các tổng đài Cáp đường dài 3. Theo điều kiện lắp đặt Cáp trôn trực tiếp Cáp đặt trong cống. Cáp thả dưới nước. Cáp treo ngoài trời. Cáp dùng trong nhà. III.Cấu tạo cáp quang 1. Bảo vệ sợi trước khi bện cáp Sợi quang được boa bọc xung quanh bằng nhựa cứng có đương kính 1,5mm. Có hai loại là ống chặt và ống lỏng ống chặt thì người ta phun nhựa bao bọc trực tiếp quanh sợi. ống lỏng thì sợi đặt trong lòng một ống rỗng có đổ chất độn mềm nh­ dạng mỡ. Nếu trong ống có một sợi thì đường kính trong là 0,9mm và đường kính ngoài là 1,4mm. Trường hợp ống có bốn dây thì đường kính ống là 1,7/2,8mm. ống bọc nhựa để tăng sức bền cô học cho sợi quang. Dùng ống chặt thì tác dụng chống nước lâu dài cho sợi, và cho phép sợi cáp có kích thước nhỏ. Còn ống lỏng thì cho ống nằm ở vị trí tự do thuận tiện. 2.Bện lõi cáp Sợi quang được bện xung quanh một lớp phần tử gia cường đặc biệt thép hoặc nhựa tổng hợp. Các sợi quang có thể bên theo lớp hoặc đơn vị. Chọn lựa tham số xoắn sao cho bán kính uốn cong của đường kính xoắn ốc phải lớn hơn 60mm để không sinh tiêu hao phô. R S L S 3. Bảo vệ ruột cáp Phần tử gia cường ở trong ruột cáp tăng khả năng chịu lực cho cáp. Bên ngoài lõi cáp được quấn chặt bằng sợi thuỷ tinh với sợi tơ aramit cùng hồ dính. Để tăng khả năng chịu lực tác động ngang cáp. Lớp này dính chặt với ruột cáp không sợ ruột cáp dồn trong lòng cáp. Bên ngoài lớp này có lớp nhôm chống Èm hoặc sợi tơ chịu lực. 4.Vỏ cáp Bảo vệ ruột cáp khỏi tác động bên ngoài, hiện nay dùng nhựa PE. Cáp trong nhà có thể dùng PVC mềm. Trong các trường hợp đặc biệt dùng thêm các chất khác 5.Chất làm đầy Để ngăn nước vào ruột, dùng chất nhờn đổ vào khe hở trong ruột cáp dưới áp suất lớn. Chất này phải không gây tác hại phụ lên các chất khác, có hệ số nở nhiệt bé. không đông cứng không làm cáp bị dãn nở hay bị cứng quá. 6. Các lớp gia cường đặc biệt Để bổ xung cho khả năng chịu lực của các phần tử gia cường khác trong ruột cáp. Vật liệu gia cường thường là sợi tơ Aramit. Băng thép hoặc các phần tử thép tròn. Để thả dưới nước,tránh đứt quãng do ảnh hưởng của dòng chảy, dòng xóay.... thì tăng thêm hai lớp mạ tròn bên ngoài lớp vỏ PE của cáp. IV. Một số loại cáp quang theo mục đích sử dụng 1. Cáp sử dụng trên mạng nội hạt và nông thôn Đặc điểm là cần số lượng mạng cáp rất lớn. Đáp ứng được các yêu cầu riêng cho điều kiện cụ thể. Mạng cáp thuê bao càn rẽ nhiều nhánh, nên cần loại cáp nhỏ Ýt sợi để phân phối cho các cáp rất lớn. Phải xây dựng theo các mẫu thống nhất để dễ nối rẽ nhánh dễ dàng. Đơn vị chuẩn là con, nỗi đơn vị có 10 sợi quang. 10 sợi này đặt trong ống đệm lỏng. Chất nhờn độn làm đày để chống nước lọt vào cvà tăng cường đặc tính cơ học cho cáp. Người ta chế tạo cáp có số lượng lớn bằng cách xoắn các đơn vị con với nhau. Hoặc trước tiên tạo ra các đơn vị chủ gồm 5 đơin vị con với đủ các thành phần là cáp 50 sợi. Rồi tạo cáp lớn hơn bằng cách xoắn các đơn vị chủ thành ruột cáp. Chất nhờn làm đầy chống lọt nước vào và tăng đặc tính cơ học cho sợi Nếu trên mạng có thiết bị lặp, thiết bị ghép kênh, thì đung cáp đồng cấp nguồn riêng chứ không đưa dây đồng vào cáp quang, nhờ đó giảm được số lượng chủng loại cáp. 2.Cáp trên mạng trung kế Xu thế của mạng trung kế giữa các tổng đài diện thoại là tạo ra các đường truyền digital, có tiêu hao nhá, dung lượng truyền dẫn lớn. Thực tế cũng là mạng cáp dùng cho mạng đường dài. Sử dụng cáp đa mốt GI hơn cáp đơn mốt SM vì giá thành thấp và cự li truyền dẫn không quấ dài nên tiêu hao và tán xạ truyền dẫn không quá ngặt nghèo. Cáp quang sử dụng ở mạng trung kế cũng là cáp quang sử dụng opử mạng đường dài. Người ta sử dụng cáp đa mốt GI hơn là cáp đơn mốt SM vì giá thành sản xuất và cự li truyền dẫn không quá dài nên tiêu hao về tán xạ truyền dẫn khong quá ngặt ngèo. Mạng digital nở các thành phố lớn liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau: Số mạng trung kế, diều kiện lắp đặt, khỏang cách giữa các tổng đài, diều kiện bảo dưỡng. Đặt dây kim loại vào để cấp nguồn là không nên, vì trạm lặp cấp nguồn tại chỗ, còn cáp đi qua được các nguồn sét đánh, điện lực dễ bị hư hại. Cáp của hãng NTT của Nhật. Cáp gồm 24 sợi đặt trong 4 nhóm 6 sợi và được quấn xen trong các nhóm gia cường rỗng quanh lõi thép gia cường thành ruột cáp. Từ hai sợi cáp với 24 sợi dây quang ghép quấn thành 1 cáp với 48 sợi quang. Hãng ASS&SIP của Italia tên là cos3/foster. Trong thành phần ruột cáp, ngoài sợi quang, phần tử gia cường, chất làm đầy, bao bọc còn có các dây làm chức năng phụ. 4 dây cấp nguồn. 2 đôi dây liên lạc nghiệp vụ. 2 sợi dây cảnh báo cho nước rò vào. Ngoài ra cáp cấu thành từ các băng dẹp, mỗi cáp dẹp có 12 sợi quang(của Mỹ) và cáp có 7 đơn vị con tạo thành sợi cáp với 70 sợi quang( của Pháp). 3. Cáp trên mạng truyền dẫn đường dài Là kết nối cho các vùng xa nhau tới hàng trăm km. Cáp trên mạng trung kế đáp ứng các yêu cầu sau: Có khoảng cách trạm lặp lớn để giảm thiết bị trung gian Có độ rộng băng thông rất lớn, để có dung lượng truyền dẫn lớn. Giá thành chế tạo thành cáp thấp. Kích thước cáp nhỏ để giảm nhỏ cống cáp Xuyên âm rất Ýt Chống can nhiễu Ýt. Hoàn toàn cách điện. Chính vì vậy mà không cần tăng nhiều sợi, do đó dường kính nhỏ. Cáp quang hiện nay phổ biến từ 6à12 sợi đường kính khoảng 20mm. ở việt nam hiện nay sử dụng cáp của hãng pirreli(Italia) có 8 sợi quang đa mốt sử dụng trên truyền thông tin đường trục bắc_ nam ở việt nam. 4. Cáp treo Sử dung ở nhiều nơi, ở mạng thuê bao nông thôn hoặc ở vùng đầm lầy ao hồ. Cáp phải chịu tác động cơ học lớn. Với cáp trọng lượng lớn thì quang sợi cáp Người ta bó bằng các sợi cáp mạch xoắn và phải có hệ thống treo vững trắc. Cáp có 4 sợi, được nhần biết bằng màu: sợi 1là xanh da trời, sợi 2 là vàng, sợi 3 là xanh lá cây,sợi 4 là đỏ. Dây treo chế tạo từ sợi thủy tinh tổng hợp phải có cường độ chịu lực lớn để thỏa mãn các yêu cầu trên. Đường kính cáp: 1,5mm, lực căng cho phép0,3kN Đường kính dây treo:8, 9 và 10mm với cường độ căng tương ứng là 17, 21, 37kN. Bán kính uốn cong nhỏ nhất là 50xD, D là đường kính dây treo 5. Cáp thả dưới nước Thường là cáp biển dùng các hệ thống thông tin xuyên đại dương từ nước này sang nước khác hoặc giữa đất liền sang hải đảo,… Do vậy cáp đơn mốt ở bước sóng 1300nmà1500nm được lựa chọn. Cáp phải chịu tác đông cơ học lớn và trong ruột nó phải luôn khô. Khi thiết kế cần có các yêu cầu sau: Các sợi quang phải dược bọc trong một ống nhôm hoặc đồng và được bao bọc bằng các sợi thép quấn xung quanh, để tăng khả năng chịu lực cho cáp. Bên ngoài các dây thép xoắn được bao bọc băng ống nhôm hoặc đồng và ngăn không cho hơi nước xâm nhập vào qua chất cách điện bảo vệ bên ngoài. Có đặt dây dẫn để cấp nguồn cho các trạm lặp. Căn cứ vào điện áp cung cấp lớn nhất đẻ tính toán chế tạo lớp Poli -ê-ti-len đầy để ngăn cách các dây dẫn điện với nước biển. Bên ngoài lớp bọc ngăn cách còn có lớp vỏ dày làm bằng nhựa để bảo vệ. Nếu cáp thả ở vùng nước nông thì ben ngoài còn được bọc một hoặc nhiều lớp thép mạ. V. Các thông số kĩ thuật của cáp quang Gới thiệu cấu trúc phần ruọt cáp, số lượng sợi quang, cách bện cáp, bảo vệ ruột cáp,cấu trúc phần vỏ bảo vệ. Các hãng còn giới thiệu chi tiết chất độn, loại sợi tơ, quy cách các vỏ bảo vệ, các lớp vỏ bảo vệ đặc biệt... Kích thước và trọng lượng cáp bao gồm các thông số: Đường kính bên ngoài cáp (mm). Trọng lượng mỗi km cáp (Kg). Độ dài cung cấp của cuộn cáp (m). Các đặc tính cơ học, bao gồm các thông số: Lực kéo lớn nhất không làm dãn cáp (kg). Bán kính úon cong nhỏ nhất (cm). Lực va trạm cho phép, không làm đứt sợi hoặc không làm tăng tiêu hao sợi quang. Lực nén cáp (trên đoạn 100m) cho phép (kg). Dải nhiệt dộ công tác ( độ c). Cường độ cách điẹn trên 1 chiều dài vỏ thép quấn và lõi chịu lực bằng thép nếu có (kV). Đặc tính của sợi quang chế tạo cáp, bao gồm: Tiêu hao ở bước sóng công tác (l) (dB/km). Tiêu hao truyền dẫn trung bình ởbước sóng l, được đo trên một đoạn lặp. Bước sóng giới hạn của cáp thực tế lgg(nm). Tiêu hao trong dải bước sóng l1- l2 quanh bước sóng công tác l . Đặc tính cơ học của sợi quang có lớp phủ bao gồm: Lực căng cho phẻptong 1 giây (g). Bán kính uốn cong nhỏ nhất. Độ mở DN. Biến thiên của đường bao chiết suất. Kích thước của sợi bao gồm: Đường kính trường mốt (mm). Đường kính vỏ sợi (mm). Độ lệch của vỏ sợi (%). Độ tập trung của trường mốt(mm). Lớp vỏ bảo vệ: vật liệu và đường kính (mm). Chương 4: Bộ BIếN ĐổI QUANG ĐIệN I. Sự bức xạ ánh áng kết hợp và nguyên lí laser Mạch dao động là gồm một bộ khuếch dại cộng và một mạch hồi tiếp đồng pha. Một quá trình dao đông nhẫu nhiên của một tần số dao động mong muốn nào đó xuất hiện trong mạch dao động được sử dụng tạo ra chuỗi tác động dây chuyền. Một phần năng lượng dao động đồng pha trở về mặch dao động. Vậy trong mạch dao đông có tự khuếch đại, nhờ dó dao động tự khuếch đại. Nhờ đó nhận được dao động liên tục, ổn đinh và hoàn toàn kết hợp. Nhờ thế đạt được các dao động ngẫu nhiên và kết hợp. Dựa vào nguyên lí này tạo ra nguồn bức xạ ánh sáng kết hợp. Laser thể rắn có ưu điểm là tạo ra ánh sáng có độ kết hợp cao, nhưng có nhược điểm: Khả năng điều biến khó ,kồng kềnh, tuổi thọ thấp. Hiện nay người ta chế tạo ra laser bán dẫn rất tốt. II. Nguyên lí bức xạ ánh sáng do tái hợp trong bán dẫn 1.Nguyên lí Laser bán dẫn có cùng nguyên lí với laser rắn và khí, đó là khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp sẽ giải pháng phần năng lượng ra dưới dạng bức xạ photon. Quá trình laser, quá trình bức xạ kích thích sẽ xuất hiện khi hệ số khuếch đại trong bộ cộng hưởng quang lớn hơn tổn hao bức xạ. Trước khi có bức xạ ánh sáng, bán dẫn cần phải được kích thích,tức là phá vỡ sự cân bằng nhiệt, có thể thực hiện được nhờ chiếu ánh sáng ngoài hoặc khuếch tán các phần tử mang điện tích qua một vùng không gian đồng nhất chẳng hạn lớp tiếp giáp p-n. Không chiếu ánh sáng lạ vào lại dùng dòng điện, bằng một diện áp phân cực thuận vào lớp tiếp giáp p-n để tạo ra việc chuyển đổi chiếm các dải năng lượng. d¶i dÉn vïng cÊm EC d¶i ho¸ trÞ l=hc/Ec CÊu tróc d¶i n¨ng l­îng Khi có dòng phân cực thuận thì các diện tử ở dải hoá trị nhận được năng lượng sẽ chuyển sang vùng cấm EC để lên dải dẫn Ed và dừng ở đó là trạng thái ổ định. Vậy bán dẫn đã được kích thích và chứa năng lượng tại lỗ trống. Khi nguyên tử chuyển từ trang thái bị kích thích về trạng thái cũ, điện tử chuyển từ mức năng lượng cao của dải dẫn về mức thấp của dải hóa, để tái hợp với lỗ trống, và năng lượng bức xạ ra dưới dạng photon. ¸nh s¸ng kÝch thÝch kÝch thÝch ph¸t x¹ kÝch thÝch ¸nh s¸ng kÝch thÝch Bé céng h­ëng quang ¸nh s¸ng ra E1 E2 qu¸ tr×nh vïng n¨ng l­îng N¨ng l­îng kÝch thÝch 22. 2.Miền hoạt tính của lớp tiếp giáp p-n Khi chưa đặt điện áp phân cực thuận vào( hình a) thì tại lớp tiếp giáp p-n không xảy ra tái hợp điện tử trong miền n với lỗ trống trong miền p. Dở mức Fecmi không thể có năng lượng nào vượt qua hàng rào thế năng được Khi đặt điện áp phân cực thuận vào(hình b) thế cân bằng bị phá vỡ . Các điện tử dễ dàng đi qua lớp tiếp giáp, các điện tử ở miền n và lỗ trồng ở miền p sẽ tái hợp với nhau trong miền hoạt tính để bức xạ ra các photon. Tần số và dải sóng bước ra được xác định qua độ trênh lệch dải năng lượng Epn giữa dải hoá và dải dẩn của vật liệu bán dẫn. III. Cấu tạo diot phát quang và diot laser 1.Yêu cầu chung Diot LED bức xạ ánh sáng đẳng hướng, nên khả năng ghép vào sợi quang là rất thấp. Để tăng hiệu suất thì phải có cấu trúc bức xạ ánh sáng ra một hướng hoặc là vuông góc với tiếp giáp p-n. Nếu thu hẹp miền hoạt tính thì tập chung các phần tử tích điện để tăng Nếu hiệu thu suất, lại tạo ra lớp dẫn quang hẹp để tập chung các photon. Bên cạnh đó cần ngăn chặn sự hấp thụ photon tring lớp tiết giáp n. Các diot laser do có bộ cộng hưởng quang và có dòng cung cấp lớn hơn dòng ngưỡng nên ánh sáng tập hợp với công suất lớn, góc bức xạ nhỏ. Bộ cộng hưởng quang kháp kín theo chiều dọc nên LD bức xạ ánh sáng ra một cửa nhỏ nên dễ ghép vào sợi quang. Thực tế có nhiều phương pháp chế tạo LED,LD khác nhau. 2. Diot LED, LD có cấu trúc dị thể kép Tạo cấu tạo tạo nhiều lớp phức tạp để thu hẹp miền hoạt tính vật liệu sử dụng cho các lớp p và n là GaPs và AlGaPs và AlGaAs có hệ số dãn nở giống nhau. Líp P-AlGaAs có độ rộng dải cấm lớn, tạo ra ngưỡng điện thế để ngăn khoomg cho di chuyển điện tử về diện cực p và nằm lại trong miền hoạt tính. Líp n-AlGaAs cũng tạo ra ngưỡng điện thế để lỗ chống kgoong di chuyển sang vùng N, tập chung ở miền hoạt tính là p-GaAs. Nên nhờ vậy chúng tập chung nhiều phần tử tích điện trong miền hoạt tính để tái tạo với nu và phát ra ánh sáng trong miền đó . LED, LD có dặc tính điện giống nhau, nhưng đặc tính quang khác nhau. LD bức xạ ánh sáng kết hợp từ bên cạnh của hoạt tính p-GaAs, còn LED thì bức xạ ánh sáng không kết hợp theo phương vuông góc với hướng này. LD ở vùng bước sóng 800à900nm, vật liệu GaAs không chứa Al, có chiết suất khoảng 3,6à3,7. Nên bề mặt phản xạ có hệ số phản xạ 32%. Chiết suất n của lớp p-GaAs,lớn hơn chiết suất của 2 líp AlGaAs hai bên nên ánh sáng sinh do tái tạo không bị tán xạ sang hai líp AlGaAs năm lại trong líp p-GaAs, giống hư trong một ống dẫn sóng đưa đến hai sườn bên của p-GaAs sẽ phản xạ lại 32%. Quá trình này lặp lại nhiều lần. Bộ cộng hưởng tăng cường cho ánh sáng phát xạ do kích thích. Nh­ thế ánh sáng cũ xếp chồng với ánh sáng mới sinh do tái hợp của các phần tử tích điện, đồng pha với nhau trên cùng hướng lan truyền, nó nằm trong p-GaAs, một phần ánh sáng bức xạ ra ngoài. LED phát xạ ánh sáng không kết hợp cũng từ lớp p-GaAs ở giữa giống LD, nhưng phát theo mọi phương. Do GaAs có chiết suất lớn, nên góc gới hạn của phản xạ toàn phần là 16o, vì thế ánh sáng chỉ bức xạ ra không khí trong phạm vi một hình nón có góc đỉnh là 320, do có góc mở AN=0,2. Góc nhận ánh sáng là 70, do đó ánh sáng từ LED vào sợi quang rất Ýt. Để nâng cao hiện suất ghép ánh sáng ta cóp các biện pháp sau: Làm điện cực p có đường kính nhỏ khoảng 50mm để hạn chhes kích thước tái hợp của phần tử điện tích,nên áng sáng trong p-GaAs bữ xạ ra ở chỗ đối diện với sợi quang. Ngoài việc chế tạo điện cực p nhỏ người ta còn dùng thấu kính để ghép ánh sáng vào sưọi quang. Cắt sâu 1 một lỗ vào n-GaAs tạo ra một cửa sổ để dẫn sợi quang vào, nhoè đó sợi quang tiếp xúc gần với lớp p-GaAs phát xạ ánh sáng, tránh hiện tượng hấp thụ photon trong líp n-GaAs dầy. Loại này là loại Burrus Loại diot phát quang cạnh ELED có đặc tính phát xạ khác với diot LED phát xạ mặt ánh sáng không kết hợp trong miền hoạt tính được phát xạ ra theo chùm nhỏ ở một bên rìa miền này giống như chùm bức xạ của diot laser. IV. Các đặc tính bức xạ của diot LED, LD 1.Đặc tính bức xạ Biểu thi sự phụ thuộc của công suất ánh sáng bức xạ vào dòng diện cung cấp( hình b, c). Với diot LED công suất ánh sáng cung cấp gần nh­ tỉ lệ tuyến tính với dòng điện. Nếu dòng điẹn quá lớn thì do tác động của nhiệt độ, đặc tính bức xạ mất đặc tính tuyến tính. Do đó diot LED không thể bằng dòng điều khiển lên quá lớn. Với LD có dòng ngưỡng, nên dòng điều khiển dòng ngưỡng thì công suất ánh sáng ra tăng quá nhanh. Quan hệ tuyến tính bị phá vỡ nếu mất ổn định của phân bố trường xa, trường gần. 2.Trường bức xạ và hiệu suất ghép Sự phân bố công suất bức xạ của nguồn quang được đặc trưng ở sự phân bố trường xa, trường gần và mật độ bức xạ. Thực tế đại lượng đặc trưng là công suất ánh sáng có thể ghép vào sợi quang, được xác định theo công suất bức xạ tổng cộng và hiệu suất ghép vào sợi. Hiệu suất ghép phụ thuộc vào sợi quang, đặc tính bức xạ của LED và LD. Cương độ trường bức xạ trên một mặt phẳng bức xạ L0=L=const, có bán kính rS là I0=L0..rS2.p. Góc mở hướng bức xạ trong mặt phẳng là g, có góc mở không gian f thì cường độ trường gần đúng là I=I0.cosg. Lấy tích phân của trường xa trên không gian bức xạ hình nón thì công suất bức xạ tổng cộng là PS=L0(rS.p)2=p.I0. Công suất ánh sáng tối đa ghép vào sợi là Pin= p.q.L.FK.AN2 với L:mật độ bức xạ, FK: tiết diên ruột của sợi quang, AN: độ mở của sợi quang , q =1( sợi SI) và q=0,5(GI) Hiệu suất ghép ánh sáng là h=q.AN2.FK/FLED. Với FLED là diện tích bức xạ của miền hoạt tính của LED. 3. Phổ bức xạ n ChiÕt suÊt (c) DW W N¨ng l­îng D¶i dÉn D¶i ho¸ (b) (a) LED ph¸t x¹ mÆt §iÖn cùc ¸nh S¸ng sîi quang LED Dl LED LD Độ rộng phổ bức xạ của nguồn xác định giá trị tán xạ vật liệu trong sợi quang, ảnh hưởng đến đặc truyến truyền dẫn của thông tin quang. Các nguồn bức xạ ra công suất không phải là chỉ 1 bước sóng, mà năng lượng phân bố trên vùng bước sóng l1->l2. Được đặc trưng bởi hàm mật độ Pa thể hiện sự phân bố công suất ánh sáng theo bước sóng. Phổ bức xạ của LD không là liên tục mà xuất hiện nhiều dải hẹp nằm cách nhau dl đây là phổ vạch và hầu nh­ không đổi . Nếu độ dài bộ cộng hưởng là Lr, chiết suất miền hoạt tính là nF thì bước sóng trong vật liiệu bán dẫn là l/nK. Thì điều kiện cộng hưởng là dl=l2/2.nK.Lr. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thì đặc tính bức xạ của chúng bị ảnh hưởng cả về công suất lẫn phổ bức xạ. a. Công suất: khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạcủa LED&LD giảm. 200C 300C a)LED P I T 200C 500C T P I b)LD Nhiệt độ tăng thì đặc tính bức xạ của LED sẽ phẳng hơn, còn đặc tính bức xạ của LD sẽ dịch chuyển về phía dòng ngưỡng nhiều hơn. Ban đầu nhiệt độ chưa cao thì đặc tính hầu như song song với nhau, khi nhiệt độ tăng thì đặc tính bị nghiêng hơn (hình b). LED&LD chế tạo từ vật liệu liên kết bốn InGaAsP cho các bước sóng dài 1,3 và 1,55mm. Hiện nay rất nhạy với nhiệt độ so với loại chế tạo từ vật liệu GaAlAs cho bước sóng ngắn 0,85mm. Sự phụ thuọc của dòng ngưỡng ing của LD thể qua công thức ing(T+DT)= ing(T).eDT/To. T: nhiệt độ ban đầu, DT nhiệt độ gia tăng, To: nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu. b. Phổ bức xạ: Khi nhiệt độ thay đổi 1oC thì phổ bức xạ LD dịch chuyển đi vài phần mười(nm) thay đổi bước sóng bước xạ. Một tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng dịch chuyển sang một tần số lân cận, làm cho phổ bức xạ ra không ổn định. c. Biện pháp ổn nhiệt: Cần có các biẹn pháp ổn định để giữ cho công suất bức xạ và bước sóng chỉ biến động trong giới hạn nhỏ. Phương pháp hữu hiệu là điều chỉnh tự động các đại lượng này. Lấy tín hiệu điều khiển điều chỉnh từ chính công suất bức xạ ra. Loại diot laser chế tạo hiện nay có sẵn mạch điều chỉnh, chế tạo chung trong một môdum Được chế tạo có sẵn 1 đoạn sơi quang để dẫn ánh sáng ra. Phôto điot M đóng vai trò như một phần tử giám sát, nó chuyển thành tín hiệu điện, qua khuếch đại để ra điều chỉnh điểm công tác LD. Sợi dây náng T giám sát nhiệt độ của LD và phần tử làm mát P được điều chỉnh qua tíb\n hiệu thăm dò của T, để giữ nhiệt độ không thay độ. T&P được đấu nối với mạch điện điều chỉnh bên ngoài. Ngoài ra còn có các phần tử phụ thực hiện chức năng phụ giám sát bức xạ, điều chỉnh công suất và bức xạ. V. Điều biến các nguồn quang 1. Định nghĩa và phương thức điều biến a. Định nghĩa: Quá trình điều biến các nguồn quang là làm thay đổi nguồn bức xạ theo thời gian nhờ một tín hiệu điện, thường là tín hiệu có Ých. Luồng bức xạ quang là tải tin. Tin tức điều khiển biên độ, tần số, hoặc pha của tải tin. Trong thông tin quang tín hiệu tin tức điều khiển cường độ bức xạ của nguồn quang, gọi là điều biến cường độ hoặc điều biến pha. Bøc x¹ ®iÒu biÕn b. Các phương thức điều biến: Diều biến trực tiếp và gián tiếp gọi là điều biến ngoài. Bøc x¹ ®iÒu biÕn Nguån quang TÝn hiÖu ®iÖn §iÒu biÕn quang Nguån quang §iÒu ®iÕn trùc tiÕp §iÒu ®iÕn gi¸n tiÕp Trong điều biến trực tiếp: Dùng tín hiệu điện vào điều khiển dòng điện diot để thay đổi cường độ bức xạ ra. Cường độ bức xạ được điều khiển trực tiếp bằng tín hiệu điện. Phương thức này đang được phổ biến. Điều biến gián tiếp: Sử dụng một nguồn bức xạ quang có sẵn, đưa tín hiệu điện vào điều biến với tải tin quang trong bộ điều biến quang bên ngoài. Nên tín hiệu điện mang tin có thể tác động vào cường độ hoặc vào pha của tải tin quang. Ta tập chung nghiên cứu vào phương pháp điều biến trực tiếp. 2. Đặc điểm điều biến Trong điều biến Analog chon điểm công tác AK trên đặc tuyến. Đặc tuyếnđiều biến của LED và LD khác nhau vì đặc tuyến công tác, thể hiện mối quan hệ giữa công suất ánh sáng và dòng điện kích thích. ánh sáng ra cửa LED tăng tỉ lệ đều với dòng điện cung cấp. Với dòng lớn thì đặt chế độ bão hòa nên đặc tuyến bị uốn cong một chút, công suất ra mới tăng chập. P P I LED LD I C¸c ®Æc tuyÕn bøc x¹ cña LED vµ LD LD có đặc tuyến gãy. Bên dưới dòng ngưỡng công suất ánh sáng ra bé và tăng rất Ýt khi dòng điện tăng. Bên trên dòng ngưỡng LD làm việc ở chế độ laser. Dòng điện tăng thì công suất ánh sáng tăng nhanh. Trong điều biến Analog này gây méo tín hiệu, tín hiệu riêng rẽ trong chùm tín hiệu sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Nên Ýt sử dụng điều biến Analog. Trong thông tin quang người ta chú trọng truyền dẫn tín hiệu số. Trên đặc tuyến công tác chọn điểm công tác Ad . Với LD thì Ad nằm dưới dòng ngưỡng hoặc kề sát trên dòng ngưỡng này. Với LED thì chọn điểm công tác tại gốc tạo độ hoặc một điểm bất kì trên đặc tuyến (hình trên). Trong thông tin điện, ngày càng nhiều phương pháp truyền dẫn tất cả các dạng thông tin dưới dạng tín hiệu digital. Vì vậy kết hợp đặc tuyến điều biến của LD và LED thì hệ thống truyền dẫn quang thích hợp hơn. 3. Đặc tuyến điều biến tĩnh Phản ánh mối quan hệ giữa công suất bức xạ PS và dòng điện đưa vào iS . iS gồm dòng một chiều iSOvà dòng xoay chiều iS(t). Với LED thì đặc tuyến tăng dần theo quan hệ gần nh­ tuyến tính. Dòng điện khá lớn thì do ảnh hưởng nhiệt độ mới xuất hiệ phi tuyến. Với LD thì ngược lại, người ta thường sử dụng đopạn công tác bên trên dòng ngưỡng iig. Công suất bức xạ tăng nhanh, bắt đầu quá trình laser trong diot, bên dưới iig thì LD như LED. PS(t)= SS.iS(t). với SS=().iSO [mW/mA]. Với LD thì SS= 500mW/mA ; với LED thì SS=5--> 50mW/mA. Khi thiết kế chú ý đến hệ số điều khiển zS với analog thì zS=, Preff là trị hiệu dụng của Ps. Với digital zS== với PS1, PS0 là công suất bức xạ cho các mức logic "0" và "1". 4. Đặc truyến điều biến động a. Điot LED iD CD iS RD a F/fg 1 1/ bn S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng cña LED víi dßng ®iÒu biÕn nhá §Æc tuyÕn biªn ®é cña ®é dèc ®iÒu biÕn cña diot LED Có PS(f)= Ss(f).iS(f) Thực chất Ps được xác định theo dòng điện iR chảy qua thuần trở RD: PS(f)= Ss(f).iS(f). Từ quan hệ của mạng hai cực CD-RD có giá trị iR(f): iR(f)= với fg=, fg là tần số cắt hay tầb số giới hạn. Từ trên có Ss(f)= nên giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//= . Đặc tuyến biên độ của S*s được biểu diễn ở hình b. Từ Ps(f)= Ss(f).iS(f) biến đổi Frurier với t >=0 sẽ có đáp ứng xung hS(t)=.e-t/ts. Với zS= RD.CD. Với tín hiệu kích có dạng xung nhảy iS thì Ss(t)= Ss.iS(1- e-t/ts). Đặc tuyến của hàm đáp ứng xung chuẩn hóa h*S(t) và đáp ứng xung kích thích S*S(t). Thời gian xác lập của đáp ứng xung zS= RD.CD Thời gian xác lập của đáp ứng kích thíchtừ 10%-->90% giá trị cuối cùng (hình b) là tA=2,2. RD.CD. Nó có hạn chế do thời gian xác lập đáp ứng, tần số công tác càng cao thì càng bị hạn chế vì zS, tA tăng theo CD t t h*S(t) S*S(t) §Æc tÝnh x¸c lËp cña LED zS= RD.CD zS= RD.CD d*S do/f0 LS b. Điot LD. 10 O,05 O,1 iR=PS CP iS O,2 f/f0 1 Sù phô thuéc cña ®é c©u ®iÒu biÕn vµo tÇn sè S¬ ®å t­¬ng t­¬ng LD,víi dßng ®iÒu khiÓn nhá vµvíi dßng ban ®Çubªn trªn dßng ng­ìng Có giá trị fo= và =. Thành phần dòng chảy trên RD để xác định công suất là iR(f)= Với độ sâu điều biến là Ss(f)=. Hàm chuẩn hóa Ss*= có giá trị tuyệt đối của biên độ là : Ss*=//=. Khi do/fo<1/thì đỉnh cộnh hưởng tại tần số fch=fo. Khi do/fo<<1 thì gần đúng fch=fo=1/2p. Khi do=0 đáp ứng xung của dao động tắt dần: hS(t)=.e-2pdT.sin2pfST. Với tần số dao động là fs=. Khi do/fo<=1 thì fs=fo dao động tắt dần quanh giá trị xác lập: Ss(t)=Ss.iS(1-2-2p.do.T.cos2pfot. do/fo=0,05 do/fo=0,2 h*S(t) t S*S(t) t §¸p øng xung chuÈn hãa h*S(t) §¸p øng xung chuÈn hãa S*S(t) Đáp ứng xungvà đáp ứng kích thíchcó tính dao động mạnh khi chưa xác lập, là do tăng đỉnh cộng hưởng của độ dốc điều biến, gọi là dao động tích thóat của LD. Nó ảnh hưởng xấu khi truyền dẫn khi truyền dẫn tín hiệu băng rộng, do đó cần duy trì đỉnh dao động càng bé càng tốt. 5. ảnh hưởng của điều biến đến phổ bức xạ Một nguồn bức xạ có phổ Pl được điều biến với tín hiệu điện, ởđàu ra bộ điều biến phổ bị dãn rộng, làm dãn rộng phổ bức xạ. Nguồn bức xạ vạch phổ đơn sắclo, tín hiệu cóđộ rộng băng bN, phổ điều biến sẽ dãn rộng có giá trị Dl. Từ f= c/l có //=.Có //= Độ dãn rộng phổ tương đối là =.2bN. Pl Dl l ¶nh h­ëng cña ®iÒuy biÕn phæ lªn bøc x¹ lo Giả sử bN=1.109Hz, l. =900nm, c=3.108m/s. thì phổ dãn rộng tương đối là : =6.10-6. Chương 5: Bộ BIếN ĐổI QUANG ĐIệN I. Nguyên lí biến đổi điện quang 1.Các nguyên lí tách quang Các linh kiện được chia làm hai nhóm: Nhóm 1: Biến đổi quang năng thành nhiệt, để chuyển đổi tiếp giáp thành tín hiệu điện. loại này Ýt được sử dụng. Nhóm 2: Biến đổi lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện, gọi là tách quang lượng tử. Các bộ tách quang dược chia thành linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại, nội. Hiệu ứng quang ngoại: Quá trình phát xạ các điện tử từ vật rắn vào không gian khi có tác động của lượng tử ánh sáng. Các linh kiện này là tế bào quang điện chân không hoặc có bộ nhận quang điện. Nó có nhược điểm là kích thước lớn, điện áp cung cấp là trăm vôn cà hiệu suất lượng tử hoá là rất thấp ở các bước sóng dài. Hiệu suất quang nội: Là quá trình tạo ra các phần tử mang diện trong chất rắn, tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống trong bán dẫn. Các linh kịen này gồm điện trở quang, photon diot,transsitor quang và thisistor quang. Hiện nay sử dụng chủ yếu diot PIN và diot quang thác APD. Hiệu ứng quang nội xảy ra ở vùng lân cận 1 lớp tiếp giáp p-n. 2.Nguyên lí chuyển đổi quang điện tại lớp tiếp giáp p-n Quá trình xảy ra ngược với diot LED và LD do ảnh hưởng của điện áp thuận đặt vào mà các diện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để bwscxaj ra các photon. ở tiếp giáp p-n diot thu quang có đặt điện áp phân cực ngược khi chưa có tác động của ánh sáng vào thì trong diot thu quang chưa có dòng điện, chỉ xuất hiện các dòng tối hoặc dòng rò rất nhỏ, vì diot hoàn toàn bị khoá. Khi ánh sáng tác dộng vào năng lượng hf của photon được trao cho các điện tử để nâng điện tử ở dải hoá lên dải dẫn. D¶i ho¸ Ef Møc fermi Eh d¶i ho¸ hf d E Nguyªn t¾c t¹o c¸c cÆp lç trèng-®iÖn tö cña tiÕp gi¸p p-n Tại chính tiếp giáp p-n sinh ra miền điện tích không gian do chính điẹn áp phân cực ngược đặt vào, đó là một điện trường. Các điện tử-lỗ trống mới sinh ra ở vùng điện tích không gian là phần điện tử tiểu số. Do tác động của điện trường của miền điện tích không gian, các điện tử từ vùng tiểu số p sang vùng n và lỗ trống tiểu số từ miền n sang p . Nh­ vậy mạch ngoài chảy theo dòng quang điện. Tần số và cường độ của dòng điện này do cường độ và tần số của ánh sáng quyết định. Độ rông của miền điện tích không gian và tố độ trôi của các điện tử mang dòng tiểu số quyết định thời gian trôi của chúng. Do đó khi sử dụng để truyền dẫn với tốc độ cao, xung ánh sáng rất hẹp. II. Các loại diot quang 1.Các yêu cầu cơ bản Các diot quang hoạt động gắn liền với mach khuyếch đại thu. Các mạch tu thoả mãn đại lượng truyền dẫn. Các diot quang có nhiều đặc tính tốt, thoả mãn yêu cầu: Hiệu suất lượng tử cao h= nc /nph= . Thời gian tăng nhỏ. Điện dùng tiếp giasp nhá. Dòng tối (dòng ngược ) nhỏ. Tạp âm nội nhỏ. Có độ nhạy lớn a=IS /p=[A/W]. 2.Diot PIN(p-i-n) Cấu tạo. Gồm lớp bán dẫn tốt n+ làm nền, trên đó phủ lớp n dẫn yếu hoặc lớp tự dẫn i, rồi đấn lớp mỏng p+ dẫn tốt. Bên trên lớp p điẹn cực là điện cực vòng, nó chỉ tiếp xúc với rìa xung quanh, để ánh sáng có thể xâm nhập vào miền i . Trên mặt lớp p có phủ lớp chống phản xạ để chống tổn thất ánh sáng vào. Điện áp phân cực ngược làm diot không có dòng, chỉ có dòng ngược rất nhỏ gọi là dòng tối. CÊu t¹o cña doit quang PIN U ¸nh s¸ng Sio2 E Ed Eh Ph©n bè d¶i n¨ng l­îng Rt ®iÖn cùc P+ N+ d i MiÒn tr«i Líp chèng ph¶n x¹ ®iÖn cùc vßng Nguyên tắc hoạt động: Khi ánh sáng đi vào lớp p, trong trường hợp lí tưởng các photon sẽ sinh ra trong miền p,i,n một cặp điện tử lỗ trống. Các địên tử và lỗ trống vừa sinh ra dã bị hút về hai phía. Các điện tử về miền N vì có áp dương, còn các lỗ trống thì về miền P vì có áp âm. Các điện tử mới sinh ra trong miền P+ ở vùng tiếp giáp P+-I sẽ khuếch tán sang miền I, nhờ Gradien mật độ của các phẩn tử mang điện tiểu số tại tiếp giáp này, rồi chạy vào miền n+ nhờ điện trường ngoài. Cũng tương tự cho lỗ trống ở miền N+. Vậy các phần tử mang điện sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện áp. Có mộ số điện tử- lổtống không tham gia vào quá trình tạo dòng điện ngoài, nằm ở xa miền tiếp giáp P+-I và I-N+, chúng không được khuếch tán sang miền I mà tự chúng còn tái hợp lại trong miền P+ vàN+. Thời gian trôi là td =d/vs với với vs là tốc độ trôi bão hoà: 104à105m/s Nếu d=70mm thì thời gian trôi là td=0,7à7ns. Vì vậy xung ánh sáng duy trì đủ lâu, nên tốc độchuỗi tín hiệu sẽ bị giảm đi hay điot quang sẽ bị chậm đi khi diot ở lớp I đầy lên. Hằng số thời gian d=RC của mạch điện tạiđiện trở Rt và điện dung tạp tán của diot phải nhỏ hơn thời gian tồn tại xung. 3.Diot quang thác APD Về cơ bản giống PIN, nhưng lớp I của PIN được thay bằng bán dẫn P chủ yếu là Sp. Hai lớp bán dẫn còn lại là P+ và N+. Miền Sp tạo thành miền trôi, là nơi sinh ra điện tử và lỗ trống. Sù ph©n bè c­êng ®é ®iÖn tr­êng CÊu t¹o diot quang th¸c ¸nh s¸ng U N N N+ P+ Sp ®iÖn cùc vßng Rt ®iÑn cùc Vïng th¸c Bên trái Sp bị giới hạn bởi lớp P+, còn bên ngoài bị giới hạn bởi P-N+. Điện trường do điện áp phân cực ngược bên ngoài đặt vào thay đổi theo líp nh­ hình b. Trong vùng Sp điện trường tăng chậm, nhưng trong vùng tiếp giáp P-N+ thì tăng nhanh. Lớp tiếp giáp P-N+ là miền thác, xảy ra quá trình nhân điện tử. Nguyên lí hoạt động của APD: Về cơ bản giống PIN, kho có điện tử trong miền Sp dịh chuyển đến miền thác P-N+ thì nhận thêm năng lượngtĩnh của dải cấm, do điện trường nạnh nên chúng được tăng tốc, vca trạm vào các nguyên tử để tạo ra phần tử tái điện mới, gọi là ion hoá do va trạm. Nên số lượng các phần tử tải tăng nhanh. Giữa hai quá trình là thời gian d. Độ lớn khuếch đại M phụ thuộc vào diẹn áp phân cực và có thể đạt đến 200 lần. Nh­ thế điện áp của APD lớn hơn của PIN nhiều. M 200 100 10 U 100 Để đánh giá khả năng làm việc của APD, ta có hệ số khuếch đại và độ rộng băng do quá trình thác là MB=1/2d. Nếu d=1ps yhì MB=160GHz. Nếu N=200 thì B=0,8GHz. 4. Các đặc trưng và tham số cơ bản a. Hiệu suất lượng tử: Thường đạt h= 60 à80%, một số diot đạt 90%. b. Độ nhạy quang Cho biết khả năng bién đổi quang thành điện. Tại mét số bước sóng có số phôton rơi là No và năng lượng mổi photon là Fw=hc/l thì công suất thu quang là PQ=hc/ l.. Lượng điện tích được sinh ra là qo=No.e.h với e=1,602.10-19As. Dòng điện sinh ra từ các photon là ip=h.e. Se= mlz/ hc: độ nhạy quang. Nên độ nhạy phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, bước sóng . Nếu cho rằng trong dải phổ có phân bố năng lượng đều thì gần đúng có PQ= PlQ(lo).Dl, và ip=M.SE(lo).PQ. Trong trường hợp nguồn bức xạ không đơn sắc, có công suấtphân bố là PlQ. c. Tạp âm. Tạp âm thăng giáng của dòng suất hiện trong quá trình lượng tử háo, là do đặc tính hạt của phần tử mang điện iq2=2eSEPQB, với B là độ rộng băng tạp âm tương đương. Tạp âm thăng giáng do dòng rò và dòng tối iD của diot iD2=2e.ID.B. Tạp âm nhiệt độ do điện trở công tác gây ra iN2=4kTB/R với k là hằng số bonzoman, T là nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện phòng. Công suất tạp âm trưng bình tổng cộng i2=iQ2+iD2+iN2. Hiệu ứng quang thác gây ra hệ số tạp âm phụ F. III. Các đặc tính giải điều của điot quang 1. Các phương pháp thu và giải điều quang Giải điều trực tiếp công suất quang tại diot quang (hình a) Giải điều gián tiếp nhờ thu quang ngoại sai dùng một nguồn quang nội bộ . Trong mạch giải điều trực tiếp có một diot quang bán dẫn, điện trở tải RL và bộ khuếch đại điện áp để khuếch đại điện áp ra trên tải. Trong mạch giải điều trực tiếp, nguyên tắt cũng giống nh­ trong các máy thu vô tuyến kiểu dải tần. Người ta dùng một gương cho qua một chiều để dẫn luồng quang thu và lái một luồng quang đơn sắc khác do bộ phát quang nội bộ cung cấp, đưa vào bộ trộn trong một diôt quang để tách ra tín hiệu trung tần cung cấp cho khuếch đại trung tần. Yêu càu là cả hai luồng quàng đưa đến diôt quang phải kết hợp cả thời gian và không gian. Cả hai nguyên tắc thu và tách quang trên thì diôt quang thực hiện chức năng dải điều. Biến đổi tín hiệu quang đưa thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ với chúng. 2. Đặc tính dải điều tĩnh Tác động dải điều của diôt quang là dòng quang điẹn tỷ lệ với công suất quang ip = M.SE.Pq (M =1 với diôt PIN). Nếu luồng quang thay đổi chậm thì iE(t) = M.SE.Pq (t). Hình iE(t) A PQ(t) t PRo PQ(t) t §Æc tuyÕn d¶i ®iÒu tÜnh cña diot quang Hình trên biểu diễn quan hệ giữa dòng thu iE và công suất quang cung cấp PQ. Tại A dộ dốc của đắc tuyến là tích số của độ nhậy SE và hệ số khuếch đại dòng M, tức là M.SE = .PEo . Dòng ra hầu nh­ tỉ lệ tuyến tính với công suất quang 3. Đặc tuyến dải điều động LS RL CS IP S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng cña ®iot quang Từ mạch điện, dòng iE cung cấp qua tải RLlà: iE(t)= tấn số cắt fCcủa mạch là fS=. Độ nhạy quang cũng là hàm số của tần số vàcó đáp tuyến tần số là: SE(f)=. Đáp tuyến tàn số của độ nhạy S*E= /A./= 1/. SE* 1 1/ f/fg 1 §¸p tuyÕn tÇn sè cña ®é nh¹y chuÈn hãa cña ®i«t quang IV. So sánh các loại diot quang Ta xét chủ yếu xét diot quang PIN và APD để thấy được ưu , nhược điểmcủa chúng. Diot PIN có tạp âm nội nhỏ, song không có khả năng khuyếch đại dòng điện, nên độ nhạy không nâng cao được. Ngược lại APD có khả năng khuếch đại dòng điện, có độ nhạy tăng lên, song lại có tạp âm lớn. Nên hạn chế công suất thu tối thiểu cho phép. Các diot PIN có hạn chế là tốc độ bit không lớn lắm vài trăm Mbit/s. Còn APD có hàng Gbit/s. Mặt khác PIN có điện áp cung cấp nhỏ, nhưng APD thì lớn tới trăm vôn, và đặc tính thì phụ thuộc vào nhiệt độ nhiều, do vậy cần sử dụng nguồn áp điều chỉnh nhiệt độ để bù lại những điểm này. Do đó PIN và APD luôn được chọn lựavà sử dụng cùng nhau. Chương 6 : HàN NốI Và BảO Vệ SợI QUANG I. Các biện pháp bảo vệ sợi quang 1. Độ sâu chôn cáp Cáp được chôn trực tiếp trong lòng đất. Tuyến cáp có thể đi qua các loại địa hình khác nhau đồi núi ,đồng ruộng, có thể đi dọc các đường giao thông, đường sắt. Phải trôn đủ độ sâu để tránh các tác động cơ học trên bề mặt đất , làm sợi quang bị rạn, phát sinh tiêu hao phụ, hoặc có thể gây gãy sợi. Líp ®Êt ®Çm chÆt G¹ch 22x10,6x6 hoÆc b­ng chÊt dÎo, bª t«ng C¸p sîi quang C¸p Hình trên là cách trôn cáp, mặt cắt ngang rãnh cáp trôn. Nếu địa hình gặp nhiều khó khăn, nhiều sởi đá, không đủ độ sâqu cần thiết f phải đặt trong ống nhựa PVC. Cả cáp lẫn ống nhựa đều đặt trong ống sắt đường kính 80-->100mm, hoặc trong rãnh bê tông. Nếu cáp vượt qua đường giao thông, cầu hoặc hầm... cũng phải dùng ống sắt và lắm đến sợi quang bên trong cáp. 2. Chống mối và chuột Cáp quang có vỏ ngoài PE là nhựa mật độ thấp, nên mối, kiến có thể gặm nhắm vỏ nhựă. Để tránh thì bên ngoài có bọc thêm thép chống mối và chuột. Trôn nhiều năm sẽ bị ăn mòn vài chỗ nhỏ cũng không ảnh hưởng đến sợi quang bên trong cáp. Đặc biệt ở việt nam có nhiều chuột, đi qua cống rãnh ta dùng các băng thép bọc nhựa quấn xung quanh cáp trần. Nếu cáp đi qua lỗ cống thì bịt kín đầu lỗ cống không cho chuột chui vào. 3. Chống ảnh hưởng của sét ảnh hưởng của sét phụ thuọc vào nhiều yếu tố: Điện trở suất của đất, cường độ của sét,, tần suất sét đánh vào từng vùng. Do đó cần xem sét tỉ mỉ các yếu tố này. a. ảnh hưởng của dòng sét đánh ở vùng sét đánh: Sét có cường độ I khi phóng điện vào vùng đất sẽ gây ra ảnh hưởng hình cầu có bán kính ảnh hưởng r được tính r = k với I: cường độ dòng sét (kA); P: điện trở suất của đất; K: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào sự rạn nứt của đất. Nếu trọn cường độ I= 50kA thì vùng ảnh hưởnh nh­ sau Vùng có điện trở suất thấp với P<100 có r = 0,36 Vùng có điện trở suất cao với P>100 có có r = 0,22. Vùng có điện trở suất trung bình của đất P =100 ôm-mét thì bán kính ảnh hưởng là3,6m. Nếu P =1000 ôm-mét thì bán kính nguy hiểm là 7m. Khả năng ảnh hưởng của sét vào đất phụ thuộc vào tham số cảm ứng sét n tính trên 1km2 trong 10 ngày có sét. Nh­ vậy thì ảnh hưởng của sét dọc tuyến cáp phải tính trên vùng ảnh hưởng xung quanh cáp. Vùng này có bán kính là S=2.10-3r.l(km2). Với l là độ dài tuyến cáp; r thì tính theo công thức trên. Nh­ vậy thì cáp bị ảnh hưởng từ cáp ở cả hai phía bên trên cáp. Vùng có sét đánh trung bình trong năm M, thì số lần sét đánh vào đất 1km2 trong một năm là N được tíngh như sau: N = M.n/10. Với n =0,93lần/km2/10 ngày thì N =0,93M. b. Tần suất sét đánh vào đất: Không thể đếm số lần sét đánh vào đất, mà phải dựa vào số lượng thống kê ngày có sét trong năm M, ở Việt Nam các số liệu nh­ sau. Vùng Hà Nội : 52 ngày sét / năm. Vùng Nha Trang: 26 ngày sét / năm. Vùng TP. Hồ Chí Minh: 84 ngày sét / năm. Tần suất sét đánh vào đát với bán kính ảnh hưởng hạn chế xung quanh cáp là f =2.0,93.10-3.M.r.l. Chẳng hạn ở vùng Hà Nội, độ dài tuyến cáp là l =650km2 cvới điện trở suất P =100 thì có r =3,6m nên N=0,93.52/10 = 4,8 lần/km2/năm. S = 10-3.2.3,6.650 =4,68 km2 Tần suất của sét là f=4,68.4,8 = 22 lần/năm. c. Khả năng hư hỏng và biện pháp bảo vệ. Sét đánh vào các vùng đất lân cận cáp thì khá lớn nhưng khả năng hư hỏnh thì rất nhỏ vì: Sét đánh vào mùa mưa, nên điện trở suất của đát là nhỏ khả năng sét đánh vào cáp là Ýt đi. Cường độ sét nói chung là nhỏ hơn 50kA. Bên cạnh đó khả năng chịu đựng xung điện áp của vỏ PE của cáp là lớn tới 100kV. ở miền núi cao, đất có nhiều đá điện trở suất của đát cao mà thường sét đánh vào các mô đát cao nh­ đồi , ngọn cây,... Khả năng hư hỏng của cáp phụ thuộc vào điện trở suất của đất. Điện trở suất càng cao thì khả năng hư hỏng càng nhiều. Nên người ta quy định đo điện trơt suất sau 2km một. Nếu: Điện trở suất P<100 ôm-met thì không cần biện pháp bảo vệ nào. Điện trở suất P>100 ôm-met dùng dây thép mạ có đường kính 3-->5m rải dọc sợi cáp, ở ben trên sợi cáp 250-->300mm. II. Hàn nối và bảo vệ sợi 1. Yêu cầu kĩ thuật Các sợi quang của đoạn cáp quang phải đợc hàn nối với nhau, hoặc được hàn nối với các linh kiện thu, phát quang. Nếu hàn nối không tốt sẽ gây tổn thất dòng, áp tín hiệu trên điện trở tiếp xúc. Nên yêu cầu hàn nối phải đạt tổn hao càng bé càng tốt . Nhưng do đường kính sợi bé, nên không tránh khỏi ánh sáng bị suy hao, do đaafu sợi quang không khớp xít với nhau. 1 1 2 2 GhÐp nèi hai sîi quang Người ta tính tóan rằng mỗi chỗ nối mất đi 4% tương đương 0,15dB. Do đó nhiều mối hàn tăng lên. Dùng dung dịch Glyxêrin để dính hai sợi, chiết suất của nó bằng ruột sợi làm cho tia đi không bị lệch hướng, nên giảm suy hao đi, nên bản thân nó cũng bị bất lợi vì: Dung dịch dán dễ bị khô cứng, bị già hóa, bị bụi bẩn bám dễ dàng. Phải không còn không khí sót lại, nên phải dùng áp lực chặt hai đàu sợi, nên nếu dán sợi vào đầu của linh kiện thu, phát thì dễ làm hư hỏng linh kiện đó. Sîi ®¬n mèt f 5,6mm Sîi ®a mèt f 50mm §é lÖch trôc x/S1m Tiªu hao dB 2 4 6 x Tiªu hao phô do khíp nèi lÖch trôc Ngoài ra trục sợi phải giữ cho song song nhau, không lệch trục, nên yêu cầu độ chính xác cao. Nếu đặt lệch nhau sẽ phát sinh tiêu hao phụ lớn. Bản thân hai đầu sợi nếu không khít nhau còng sinh thêm tiêu hao ( ta chỉ xét cùng loại sợi dây). Vì vậy ta cần có các phương pháp hàn nối sợi quang tốt để giảm đến mức thấp nhất tổn hao do mối hàn, đẻ đảm bảo chất lượng truyền dẫn. 2. Các phương pháp hàn nối sợi quang Để nối hai sợi quang với nhau nhười ta đã nghiên cứu các phương pháp sau: Dùng bộ nối tháo rời được và bộ nối không tháo rời được. Hàn nói băng keo dính và băng hồ dính. Phương pháp dùng các loại bộ nối thường đạt độ chính xác không cao, nên chỉ được sử dụng với những loại sợi yêu cầu không cao, hệ thống truyền dẫn cự li ngắn,... với tốc độ truyền dẫn bé, nên ta không xem sét hướng kĩ thuật này. Phương pháp hàn nối thì sợi chắc chắn, nên độ chính xác cao, ta chủ yếu xét phương pháp này. a. Phương pháp dùng keo dính. Phương pháp này thực hiện hòan tòan công nhân, điều chỉnh tinh nên độ chính xác không cao. Chỉ áp dụng cho loại sợi đa mốt có đường kính ruột lớn vật liệu thực hiện gồm ổ nối hình V, một miếng đệm và một cái kẹp . Hai đầu sợi quang được nối đặt vào đáy chữ V. Cấu tạo của bộ nối nh­ hình B. Phương phát thực hiện nối nh­ hình A. Sîi 1 Sîi 2 æ nèi KÑp gi÷ Keo d¸n MiÕng ®Öm M¸ng ®Öm a) b) Ph­¬ng ph¸p nèi b»ng keo dÝnh Tuốt sạch lớp phủ bảo vệ ở hai đầu sợi 1 và 2. Đặt cả hai đầu sợi vào đáy ổ chữ V. Đặt miếng đệm lên trên đầu hai sợi, ở miếng đệm có lỗ hổng để quan sát, điều vchỉnh khoảng cách hai đầu sợi; từ hai đầu sợi nằm ở hai đáy ổ V đã đổng trục với nhau một cách tương tự. Đặt kẹp giữ vào để giữ chặt miếng đệm. Giỏ một giọt keo gián qua lỗ miếng đệm xuống để nối hai đầu sợi. Sấy nhiệt hoặc dùng nguồn bức xạ cực tím để làm khô keo dính. Sau khi ổ nối đã khô, đặt lại oỏ vào miéng đệm, dán chặt hai đầu lại, đã có một mối nối cơ học bền chắc. Toàn bộ mối nối được bảo vệ bằng ống nhựa co nóng nhờ nhiệt. Phương pháp này không thể quan sát khả năng chỉnh đồng trục cho hai đầu sợi được nên hạn chế sử dụng. b. Phương pháp hàn nối bằng hồ quang a) b) c) d) Ph­¬ng ph¸p hµn nèi b»ng hå quang e) Phương pháp này thục hiện bằng các máy hàn. Hồ quang được tạo ra nhờ các lửa điện phóng điện. Nguyên lý nh­ hình trên, các bước tiến hành nh­ sau: Dùng hóa chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ ở hai đầu sợi cần nối. Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá (Hình a) Điều chỉnh cho hai đầu sợi lại gần nhau khoảng cách giữa chúng là 10% đường kính sợi quang có thể cho tia hồ quang làm sạch từng đầu sợi riêng rẽ trước khi chỉnh chúng lại gần nhau . Quá trình này thực hiện nhờ kính hiển vi hoặc kính lúp. Nhờ bộ phận gương lắp kèm theo, có thể quan sát cả chiều ngang, đứng để hai đầu sợi hoàn toàn đồng trục, đồng tâm với nhau Hình b Khi hoàn thành bước trên thì đóng mạch tia lửa điện hai đầu sợi nóng chảy và sau vài giây chúng sẽ dính chặt với nhau.Quá trình này xảy ra tù động. Thời gian phóng điện phù hợp loại sợi và kích thước sợi( hình c). Kiểm tra mối nối, nếu không có gì coi nh­ là được, nếu không thì làm lại. Mối hàn tốt nhìn thấy đều đặn là một đọan sợi bình thường( hình d). Gia cố cơ học để đảm bảo mối nối (hình e). Phương pháp hiện nay dùng ống bọc nhựa co nóng có đệm đoạn vật liệu gia cường Sîi quang ®· hµn VËt liÖu gia c­êng èng nhùa co nãng B¶o vÖ mèi nèi b»ng èng nhùa co nãng Ngày nay các máy hànđã được thiết kế hiện đại, nhiều công việc đã được làm tự động, để tăng chất lượng và thời gian thực hiện mối hàn . 3. Baỏ vệ mối nối Khi nối hai cáp quang với nhau, tại chỗ nối có nhiều mối nối, các soịư quang bị tách ra, không còn các lớp bảo vệcủa vỏ cáp. Tùy theo các điều kiện khác nhau mà có các biện pháp khác nhau. Cấu trúc điển hình của mỗi hộp bảo vệ phải có các bộ phận phù hợp và lắp ráp theo các quy trình sau. - Hộp chứa sợi: vì các sọi sau khi hàn nối còn dư lại phần không bảo vệ nì đã tách vỏ cáp ra. Nên được ghép vào trong một hộp chứa sợi. Sau khi đóng hộp, thêm các phần tử gia cường thì dùng băng quấn chặt lại cả trên vỏ cáp để các sợi nằm cố định trong hộp bảo vệ. - ống măng sông có hai nửa ống và hai vòng chốt để chứa tòan bộ đoạn cáp vừa đựoc nối. Khi đã đặt xong vào ống măng sông thì có các đai hãm cố định bên ngoài. - Tòan bộ ống măng sông cố định này được đặt trong ống bảo vệ băng nhựa cứng. Sau đó đã chặt vào hộp bảo vệ, hộp được gắn chặt lại. Vßng chèt C¸p 4 1 5 3 2 èng m¨ng s«ng bäc c¸p nèi CHƯƠNG 7 : THIếT Kế MạNG THÔNG TIN QUANG I . Đặt vấn đề Trong những năm gần đây,thông tin quang đã phát triển nhanh ở Việt Nam và sẽ trở thành một chiến lược cáp quang hoá toàn quốc. Khi xây dựng một tuyến thông tin quang,ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật,vấn đề giá thành cũng là một yếu tố quan trọng. Hiện nay,trên thị trường thế giới có rất nhiều loại linh kiện hệ thống khác nhau, vì vậy thiết kế tối ưu hệ thống đã trở thành một yêu cầu rất cần thiết. Trong chương này, chúng ta hãy tóm tắt các thông số,các kiến thức liên quan tới việc thiết kế hệ thống và thủ tục thiết kế một tuyến thông tin quang ,tham số tối ưu được chọn là giá thành hạ. Một tuyến thông tin quang gồm có: -Thiết bị đầu cuối quang ( Gồm bộ phát quang và bộ thu quang ) Sợi quang Trạm lặp Hệ thống cảnh báo Hệ thống chuyển mạng bảo vệ tư động ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu lựa chọn nguồn sáng, sợi, bộ tách quang là những linh kiện chính của một tuyến thông tin quang. II. Các tham số thiết kế hệ thống 1.Tốc độ tín hiệu Tốc độ tín hiệu của tuyến thông tin quang được biểu diễn bằng Mbps 2 . Kiểu tín hiệu Tuyến thông tin quang sử dụng hai loại tín hiệu đơn cực tính NRZ ( Non Retum to Ze ro ) H×nh7.1 3.Suy hao nối ( Connector Loss ) Đây là suy hao công suất quang khi hai sợi quang được nối với nhau bởi một bộ nối , đo bằng dB. 4. Suy hao ghép (Coupling Loss ) Đây là suy hao công suất quang khi nguồn sáng được ghép với sợi. 5. Nhiệt độ hệ thống 6. Suy hao hàn 7. Dự trữ hệ thống Dự trữ hệ thống là công suất quang dự phòng cho việc sửa chữa thay thế ,nâng cấp trong tương lai và sự già hoá của các linh kiện . 8. Tỷ lệ lỗi bít ( BER). Các tuyến thông tin quang hiện nay yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER là 10-10 hoặc 10-11 , đặc biệt mạng LAN cần có BER là 10-14 . 9. Độ nhạy thu . Đây là công suất quang yêu cầu tối thiểu của bộ tách quang để đảm bảo tỷ số BER cho trước . III. Nguyên tắc lựa chọn tốc độ tín hiệu ,bước sóng công tác,sơi quang ,thiết bị đầu cuối quang Tốc độ tín hiệu ,số sợi quang được dùng phụ thuộc vào dung lượng đường chuyền ,được xác định qua soó thuê bao của mỗi khu vực và mức độ sử dung các dịch vụ viễn thông của khu vực đó . Khi tính lưu lượng đường chuuyền để chọn tốc độ tín hiệu và số sợi quang , ta phải tính đến xu hướng phát triển đến khu vực đó trong tương lai và một số sợi dự phòng . Sự lựa chọn số bước sóng công tác ( 1300 mm hay 1550 mm) , kiểu sợi (G.651 – G.654 ) phụ thuộc vào việc các linh iệ quang tương ứng có sắn trên thị trường hay không và phạm vi ứng dụng hệ thống thông tin sợi quang định thiết kế . Phần lớn các tuyến cự ly dài hiện nay hoạt động ở các bước sóng 1300 nm và sử dụng sợi đen mode thông thường . Nhưng trong những năm tới , laser đa mode MMLD hoặc LED thường được ưu tiên sử dụng vì giá thành hạ và tuổi thọ lại cao . Sợi đa mode với độ mở số lớn cùng với diode laser da mode và LED hoạt động ở bước sóng 850 nm và 1300 nm thường được dùng trong mạng máy tính , mạng thuê bao và mạng LAN. Tuy nhiên , với sự phát triển của multimedia, TV cáp ,hệ thống thông tin đa dịch vụ băng rộng B-ISDN,lưu lượng mạng nội hạt trong tương lai có thể lên tới vài Gb/s , lúc đó bước sóng 1550 nm, diode laser đơn mode ,sợi quang có tán xạ dịch chuyển SM-DS sẽ được dùng ngay cả trong mạng nội hạt và mạng thuê bao . IV. Các thông số cần thiết cho việc thiết kế tuyến thông tin quang 1 . Công suất quang yêu cầu ( độ nhạy thu ) Một số thông số cần thiết quan trọng của tuyến thông tin quang là công suất quang yêu cầu tối thiểu .Công suất quang yêu cầu là một hàm số của tỷ lệ lỗi bit BER ( hay tỷ số S/N) và còn phụ thuộc cả tốc độ tín hiệu . Mét linh kiện tách quang chỉ được chọn khi đáp ứng quang thu của nó lớn hơn công suất quang yêu cầu tối thiểu . Sau đây ta sẽ xây dựng một công thức biểu diễn quan trọng giữa tỷ số S/N và công suất quang yêu cầu tối thiểu . Ta giả thiết phổ của loại xung ra là loại cosin tăng với độ uốn cong . Trong các điều kiện này ,giả thiết rằng nhiễu tạp âm là tập âm cộng Gauss, Vậy xác xuất lỗi đó với tỷ số đỉnh tín hiệu trên tạp âm ở tại điểm quyết định là một hàm erfc . Giả thiết các xung quanh được phát đi có dạng chữ nhật với gái trị đỉnh Pt và chu trình chế độ hoạt động dc , và công suất quang kông được phát đi khi không có xung ; lúc đó dòng tín hiệu đỉnh I tại thời điểm quyết định cho bởi : I = .M.dc.Pt.exp[-2.a.L] Từ đó ta suy ra công suất phát trung bình Pt liên hệ với Pt theo biểu thức : Pt = . dc.Pt. ở đây h là nghịch đảo xác xuất “ 1 “,và : Pr = Pt.exp[-2.a.L] Biểu diễn I là một hàm cảu công suất thu được trung bình : I = h..M.Pr Đối với các mã đường quang hai trạng thái , nghĩa là các tín hiệu cùng đồng xác xuất thì h = 2. Nếu hệ thống không sử dụng các loại tín hiệu đó mà là tín hiệu nhiều mức ,thì (5.4) không đúng nhưng h phụ thuộc thống kê vào tín hiệu, và nói chung là lớn hơn 2 ,nhưng đôi lúc vẫn giả thiết bằng 2. Từ (5.4) với h=2 ta rót ra tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại thời điểm quyết định là: = Để đánh giá chất lượng mong muốn đối với tín hiệu được tách , thường là cố định , từ phương trình (5.5),ta thấy để đảm bảo đã cho thì công suất quang thu được phải là : Pr = . [ 1+ ] (5.6) Từ đây ta thấy rằng đối với đã cho ,công suất yêu cầu tỷ lệ với độ rộng bằng tần nhiễu tương đương của độ khuếch đại . Hình 5.6 biểu thị công suất yêu cầu trên một đơn vị độ rộng băng tần đối với ,với những giá trị FC khác nhau ; với trường hợp diode PIN thì G =1, = 0,5 A/W . Từ hình này ta thấy : nếu yêu cầu cao thì công suất quang còng cao ,diều đó kéo theo tạp âm lượng tử cũng cao . Trong miền này công suất có xu hướng tăng 1 dBm/dB với yêu cầu . đặc tính này còn gọi là tạp âm lượng tử đã giới hạn , thường trong truyền hình tương tự tỷ số tín hiệu đỉnh trên tạp âm yêu cầu cao hơn 50dB. Trong trường hợp truỳên dẫn số , giá trị thấp khoảng 23dB , tương ứng với xác xuất thấp hơn 10-10 , tạp âm nhiệt là chủ yếu và độ tăng công suất yêu cầu là 0,5 dB/mdB đối với cả và FC. 100 pF FC= 10 pF 1 pF 0,1 pF 0,01 pF NhiÔu l­îng tö giíi h¹n NhiÔu nhiÖt giíi h¹n 0 -20 -40 -60 100 80 60 40 20 Hình7.2: công suất trung bình quang trên một đơn vị độ rộng băng tầng đối với tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở thời điểm quyết định đối với PIN diode. Trong trường hợp các diode thác quang APD, từ (5.6) ,có thể nhận thấy ,đối với mỗi một giá trị có một giá trị M ,cho bằng 0, rót ra : Mopt = (5.7) Từ 5.7 nhận thấy rằng tăng Ých tối ưu không phụ thuộc vào độ rộng băng tần , hơn nữa đối với giá trị cao thì Mopt có thể bé hơn 1; điều kiện này rõ ràng là không thực hiện được ,vậy (5.7) chỉ đúng khi Mopt>1. Cũng từ đaay có thể thấy rằng ,trong khi dòng tín hiệu tỷ lệ với M ,thì độ tăng dòng nhiễu lượng tử nhanh hơn theo tỷ lệ M(1+a); như vậy khi nhiễu lượng tử chiếm ưu thế (giá trị cao ) thì khoong nên sử dụng các diode thác quang APD. Ta tính độ tiết kiệm công suất quang thu được cực đại Pmax bằng diode thác quang so với diode PIN . từ (5.6) ,lập tỷ số Pr tính được đối với M=1,và Pr đối với M = Mopt, chóng ta sẽ có : Pmax =. (5.8) Vì Mopt không phụ thuộc vào độ rộng băng tần nên P max không phụ thuộc vào độ rộng băng tần. Từ các mỗi tương quan tước đây , ta nhận thấy rằng :chất lượng bộ khuếch đại càng thấp (FC cao ) hoặc diode quang càng tốt (a nhỏ ), thì các diode thác quang APD càng có thể đạt tới độ tiết kiệm công suất tốt hơn , thậm chí nếu yêu cầu các giá trị Mopt cao hơn ,kết quả là ,nếu chọn được một diode thác quang APD nhiễu khá tháp thì có thể bù được phần nào đối với việc thiết kế bộ khuếch đại có độ chính xác thấp :ưu điểm diode thác quang APD giảm theo cao thì ưu điểm đó không còn nữa . Đối với các hệ thống thông tin số truyền truyền hai mức ,yêu càu khoảng 23 dB ,thì khả năng tiết kiệm FC = 1pF vào khoảng 13 dB ; tăng Ých thác cần thiết khoảng 34dB, đó là giá trị ở dưới giá trị cực đại có thể đạt được (40-50 dB). Thay (5.7) vào (5.6) có thể tính công suất thu tối thiểu yêu cầu đối với một mong muốn Pm = ..[(1+a).] 2. Các ảnh hưởng a. ảnh hưởng của điều chế nguồn không hoàn hảo Nh­ chóng ta đã biết ,trong các nguồn quang, ngay cả khi không có tín hiệu điện kích thích thì ánh sáng phát ra của nó không hoàn toàn tắt hẳn. Trong nhiều trường hợp người ta còn tạo ra một định thiên ban đầu thích hợp tương đương với nền để các nguồn sáng làm việc trong vùng đặc tính truyền đạt đạt tuyến tính và băng tần của rộng hơn. Giả thiết rằng khi không có tín hiệu vào, công xuất quang được phát ra bằng một phần giá trị đỉnh Pt. Lúc đó công suất phát trung bình là: Pt = .[1+].Pt (5.10) Ở máy thu, công suất tín hiệu thu được trung bình Prs tỷ lệ với biên độ tín hiệu ở điểm quyết định liên quan đến tổng công suất trung bình Pr,tỷ lệ với giá trị trung bình bình phương của nhiễu lượng tử. Prs = (5.11) Đưa ( 5.5 ) vào ( 5.1 ),ta rót ra rằngcác mối tương quan và các đồ thị trức đây vẫn còn đúng ngay cả lúc tồn tại một nền ánh sáng,lúc đó chỉ cần thay bằng ’ : ’= [1+2/(1-).dc]. (5.12) Bình thường khoảng 0,1 ; trong trường hợp chung dc= 0,5 ’ , cao hơn là 3,2 dB. b . Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi niệt độ của môi trường xung quanh thay đổi ,hoặc do chính sự hoạt động của các phần tử trong thiết bị làm ảnh hưởng đến các tham số của thiết bị thu và chính nó lại làm ảnh hưởng đến công suất quang thu yêu cầu bé nhất. Sauđây tóm tắt một số ảnh hưởng đó: -Nhiệt độ tăng sẽ làm tăng dòng tối id của bộ tách quang -Nhiễu nhiệt trong các điện trở là hàm trực tiếp của nhiệt độ -Tăng Ých của APD thay đôie nhiều theo nhiệt độ -Thời gian đáp ứng, tăng Ých của bộ tách quang và các phần tử tích cực khác cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Nhiệt độ có thể gây ra sự lệch các thành phần trong băng tần xác định, do đó tăng méo tín hiệu, giao thoa giữa các ký hiệu hoặc độ rộng băng nhiễu. - Nhiệt độ có thể tạo ra những mốc xê dịch điều khiển tăng Ých, định thiên và các mạch quyết định ngưỡng; các sự xê dịch này có ảnh hửng đáng kể đến công suất quang yêu cầu tối thiểu. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ ghép vật lý sợi thiết bị, nhưng thường bỏ qua ảnh hưởng này. c. Các ảnh hửng của sự hoá già Sau một thời gian sử dụng, bộ tách quang sẽ bị giảm đáp ứng quang thu do sự già hoácủa diode còng nh­ các phần tử trong mạch khuếch đại. Khi thiết kế hệ thống, người ta thường coi đáp ứng quang của diode giảm 5% mỗi năm. Do vậy, taphải dàng 1,5 – 2 dB dự trữ công suất cho sự già hoá của bộ tách quang. d. Quan hệ giữa đáp ứng quang thu tối thiểu và tốc độ tín hiệu Khi tốc độ tín hiệu tăng thì đáp ứng quang thu giảm xuống. Việc xác lập công thức biểu diễn quan hệ giữa đáp ứng quang thu và tốc độ tín hiệu là rất khó khăn nên người ta đưa ra tiêu chuẩn quy định đáp ứng quang thu ứng với tốc độ tín hiệu khác nhau. 3. Khoảng cách giữa các bộ lặp của hệ thống sợi quang Trong ( 5.6 ) đối với các diode PIN (M = 1) và (5.9 ) đối với các diode thác quang APD (M = Mopt) biểu thị công suất quang trung bình yêu cầu Pr đối với đã cho (và cũng chính với xác suất lỗi đã cho), xuất phát từ (5.2) chóng ta có thể tính được khoảng cách của bộ lặp. Tuy vậy,có một khó khăn là Pr phụ thuộc vào độ rộng bằng tần nhiễu tương đương B N , khi có sợi thì nó lại là một hàm của độ dài L. Đầu tiên chúng ta coi sợi không gây ra giới hạn băng tần. Trong trường hợp này, độ rộng băng nhiễu tương đương chỉ phụ thuộc vào chu trình công tác của xung phát dc và vào hệ số uốn của phổ tín hiệu ở điểm quyết định, và có thể coi bằng: BN = Bo = kb .fr (5.13) ở đây fr là tốc độ ký hiệu và kb là hằng số # 0,5 đối với các giá trị dc và thông thường. Trong đièu kiện này ,vì công suất yêu cầu ở máy thu không phụ thuộc vào độ dài L ,từ (5.2 ). Dễ dàng tính được : L = .[ 10.logPt – 10.logPro ] (5.14) ở đây Pro là công của máy thu được tính theo (5.4) và (5.8) trong điều kiện xác định bởi (5.14) và là tiêu hao bằng dB/km . Trong hình sau vẽ công suất yêu càu Pro để truyền dẫn tín hiệu số hai mức có xác xuất lỗi Po < 10-10 (=23 dB) đối với fr cho cả hai diode PIN (M = 10) và diode APD Si (M = Mopt, a= 0,2) , trong trường hợp bằng 0,5 A/W và FC =1 pF và với Bo bằng fr/2 .Cũng hình đó , còn cho các mức công suất trung bình mà các nguồn Laser và LED tiêm vào sợi ,với giả thiết giá trị công suất đỉnh bằng +3dB và -12dBm trong hai trừơng hợp tương ứng và chu trình công tác dc bằng 0,4. Không thể sử dụng các nguồn LED ở các tốc độ cao vì sự giới hạn băng tầng nội tại của chúng .hiện giữa các công suất phát và với tốc độ ký hiệu quan tâm, cho khả năng tổng tiêu hao trên sợi ,và căn cứ vào (5.14)xác định được độ dài của đoạn lặp . Từ (5.5) và (5.8) và từ hình vẽ tổng tiêu hao cho phép khi không có tán sắc sợi đối với tập các phần tử quang điện đã cho và với độ chính xác của bộ khuếch đại của thu cố định có dạng sau ( dB ) : Pt - Pro = AL – 10 logfr (5.15). ở đây AL biểu thị tổn hao cho phép đối với một tốc độ ký hiệu duy nhất . Ví dụ trong trường hợp hình vẽ ,AL =6,7 dB /Mb/s đối với tổ hợp Laser –APD và bằng 52/dB/Mb/s đối với tổ hợp LED – APD. Pc<10-10 sFc=1pF dc=0,5 0 30 Laser PIN 50 60 APD fr 1000 100 10 Hình7.3: trên các mức công suất công suất quang phát và thu (Pt, Pro đối với tốc độ ký hiệu fr khi truyền tín hiệu số hai mức không có sự cắt của sợi (băng tần vô hạn ) với xác xuất lỗi <10-10. Một điều đáng chú ý khi thiết kế tuyến quang là phải cho thêm vào một độ dự trữ nào đó cảu tuyến . người ta thường lấy độ dự trữ công suất vào quang 3-5 dB. Ta xét đến một trường hợp tổng quát hơn. đó là trường hợp xét đến sự giới hạn băng tần do băng sợi sinh ra . Phương trình (5.2) có thể được viết như sau : L = 10.log = 10 .log - 10.log (5.16) ở đây thành phần thứ nhất là tổn hao tính bằng dB cho phép khi không có sự cắt của sợi có thể trực tiếp đọc từ hình trên đối với mỗi tốc độ ký hiệu Trong lúc đố thành phần thứ hai biểu thị độ thiệt thòi công suất do sự cắt của sợi. Đưa vào biểu thức(5) và (8) có thể có độ thiệt thòi công suất hP=10.log=10.log+10.logMq (17). Mq là hệ số hiệu chỉnh đưa vào sự tính toán sự phụ thuộc công suất nhiễu lượng tử và các xung kế cận khi giao thoa giữa các kí hiệu tồn tại trong tín hiệu quang ở đầu vào của máy thu. Bn=.Ip[2.ln2(fr/ft)2.x2].[c(x.b)2]dx (18). Ft là tần số cắt của sợi ; (a,b) là hàm cosin của hàm hệ số uốn b. Hệ số hiệu chỉnh Mq được tính bằng kinh nghiệm,bằng cách so sánh định lí xấp xỉ hiệu tại các định lí chính xác hơn, người ta tìm thấy gần đúng chính xác Mq: Mq=2.exp[-0,1(fr/ft)2] (19). Từ (18)và (19) có thể thấy rằng độ thiệt thòi công suất cho bởi (17) là hàm của tỉ số fr/ft giữa tỉ số lặp lại cũa xung và tẫn số cắt của sợi. Hình dưới biểu thị độ thiệt thòi công suất fr/ft với các giá trị xuống khác nhau của phổ tín hiệu cosin nâng tại điểm quyết định. Giả sử cho chu trình làm việc dC =0,5 đối với các xung phát và không có sự giới hạn băng tần trong nguồn quang. Có thể thấy rằng, đối với giá trị fr/ft thấy, thực tế độ thiệt thòi công suất khônng phụ thuộc vào b, trong lúc đó đối với các giá trị fr/ft cao thì độ thiệt thòi công suất giảm khi b giảm. Mặt khác cần chú ý rằng độ phức tạp của bộ lọc và khôi phục đồng bộ cũng ảnh hưởng đến b. Với b cao thì đơn giản hơn. Néu lưu ý đến sự cắt của sợi thì giá trị b tốt nhất nằm trong khoảng 0,6-->0,9. Mp(dB) fc/ft b= 1 0,7 0,5 0 20 10 0 5 4 3 2 1 H×nh7.4 Trở lại tính khoảng lặp, giả sử chúng ta biết quan hệ (10) dưới dạng Pt-aL=Pro+ hP(fr/ft) (20) ở đay các đại lượng biểu diễn bằng dB. Dạng có độ thiệt thòicong suất đối với fr/ft, được xấp xỉ, bằng giá trị nào đó hàm Parabol hP=c(fr/ft)2. Với c là hằng số phụ thuộc vào độ uốn cong b của phổ tín hiệu đã cân bằng. Ví dụ: c=1,5 với b=1 và c=1 với b=0,4. sai số xấp xỉ với các đường cong tương ứng bé hơn 1dB đối với các giá trị fr/ft thấp hơn 3 đến 4. f2t= . Do đó (16) trở thành aL=AL- 10.logfr- c(fr/fl)2.L2-- c(fr/fm)2.L (22), các đại lượng tính băng dB. ở đây các đại lượng fm, fl là tần số cắt trên một đơn vị chiều dài do tán sắc vật liệu tương ứng, và liên quan đến độ mở rộng xung fm,l=ln4/p.zm.l. Và AL là tổn hao có thể cókhi không có độ tán sắc của sợi. Gỉai phương trình (22) ta được:L=1/2.{a/c.(fl/fr)2+(fl/fm)2]2+.(fl/fr)2-[a/c.( .(fl/fr)2.(fl/fm)2]}. Công thức trên cho thấy độ dài đoạn lặp là một hàm của fr,a,fm,fl và đối với sự chọn lọc nào đó các thành phần quang- điện và thiết bị bộ khuếch đại thu... Công thức trên rất hữu Ých và cho các khoảng lặp đối với một tổ hợp linh kiện đã được chọn Xp aL Pt Pr 9 5 4 2 -60 -20 -40 H×nh7.5 Công suất Pr yêu cầu Pe=1-->10 và công suất có thể có Pt-aL ở máy thu theo độ dài đoạn lặp đối với hệ thống truyền dẫn số 34Mb/s sử dụng LED(Dl=50nm ở 850nm) APD và sợi có a=4 dB/km. 4. Tán xạ trong sợi quang a. Hiện tượng tán xạ vật liệu. Độ dãn xung do tán xạ vật liệuđược tính nh­ sau: Dm=Mm.Dl.L(ps). Trong đó : Mm là hệ số tán xạ vật liệu (ps/nm/km). l là bề rộng phổ của nguồn (nm). L là khoảng cách cần truyền (km). b. Hiện tán xạ mốt. Độ dãn xung do tán xạ mốt được tính nh­ sau: Di= n1.D./c với sợi SI Di= n1.D2./2c với sợi GI. Trong đó n1 là chiết suất của ruột sợi D là độ lệch chiết suất tương đối c là vận tốc ánh sáng. L là chiều dài tuyến (L>>1km) c. Hiện tượng tán xạ dẫn quang. Độ dẫn xung do tán xạ dẫn quang dợc tính nh­ sau: Dw= Mw.Dl.L(ps). Trong đó Mw là hệ số tán xạ sợi dẫn quang(ps/nm.km) Dl bề rộng phổ của nguồn(nm). L là khoảng cách cần truyền (km). d. Tổng độ rộng xung gây ra bởi sợi quang. Dt2= Dmw2+Di2 Trong đó Di là độ rộng xung do tán xạ mốt. Dmw là độ rộng xung do tán sắc sợi và tán sắc vật liệu. 5.Các tham số của linh kiện tách quang a. Thời gian tăng trưởng Tổng thời gian tăng trưởng của phôtodetecter tpd2=ttr2+tct2 Trong đó ttr= ttr cho bởi nhà sản xuất, thông thường ttr=1us. tct hằng số thời gian của mạch. tct= 2,19.RL.Cd. (RL điện trở tải). Cd điện dung lớp tiếp giáp (Cd= 1-->10pF) b. Đáp ứng quang. Dòng điện sinh ra trong bộ tách quang do tác động của ánh sáng được tính nh­ sau i= trong đó đáp ứng quang P=. Trong đó M: hệ số khuếch đại của APD (hệ số tăng Ých) W:hệ số của APD e: điện tích của điện tử. P: giá trị công suất. C: tốc độ lan truyền của ánh sáng. l: bước sóng công tác. 6. Quan hệ giữa nhiễu và BER Mặc dù nhiễu hệ thống không được đo trực tiếp trên một tuyến quang nh­ tỉ lệ lỗi BER là nột trong những thông số quan trọng phụ thuộc vào nhiễu. Trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhiễu nhiệt là chiếm ưu thế hơn và tỉ số S/N khoảng 20-->30dB, thoả mãn viẹc thực hiện tỉ số BER. Vì vậy chúng ta cho rằng hệ thống chỉ cónhiễu nhiệt. Chúng ta bá qua hiệu ứng dòng tối. Công suất nhiễu nhiệt= 4.K.T.Df. Tín hiệu điện nhật được=p.P (ám) Do đó tỷ số S/N=. K là hằng số bozonam T nhiệt độ tuỵet đối p là đáp ứng quang, đo băng A/W. P là giá trị công suất quangđo băng Watts Df là dải tần nhiễu tương đương RL là điện trở tải. Với tín hiệu nhị phân, xác suất lỗi Pe có thể lấy bằng