Đề tài Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang

lời nói đầu Cùng với sự phát triển mọi mặt về kinh tế xã hội, các nhu cầu vui chơi giải trí của con người cũng tăng lên nhanh không ngừng cả về số lưọng và chất lượng. Hoà vào xu thế đó, các dịch vụ viễn thông cũng không ngừng phát triển nhằm thoả mãn các nhu cầu của con người, đặc biệt là con người của kỷ nguyên và thông tin. Để tạo ra được một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển các dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về chất lượng. Từ khi ra đời cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác. Các hệ thống truyền dẫn mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang. Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang. Trong khuôn khổ bản báo cáo thực tập với mong muốn giới thiệu tổng quan của thông tin quang bao gồm bốn chương sau: ChươngI: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ChươngII: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sợi quang ChươngIII: Cáp quang Chương IV: Phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện Với nội dung trên cuốn luận văn góp một phần nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sợi quang. Sau cùng em xin trân trọng gửi tới thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Như Nguyên lòng biết ơn sâu sắc về sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình trong quá trình thực hiện bản báo cáo thực tập này. Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang . I. Giới thiệu về thông tin quang. 1. Khái quát chung Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự các hệ thống thông tin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung .Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền đi được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cầu truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở đấy chính là sợi dẫn quang ,nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tia từ phía phát tới phía thu. Vào năm 1960, việc phát minh ra Laserddeer làm nguồn phát quang đx mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng .Theo lý thuyết thì nó cho phép thực hiện thông tin với lượng kênh rất lớn vượt rất nhiều lần các hệ thống Viba hiện có. Hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó. Một số kết quả thu được nhưng tiếc rằng chi phí quá tốn kém, kinh phí tập trung vào sản xuất các thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết (mưa, tuyết ....) gây ra là rất lớn, chính vì vậu nó chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới. Một hướng nghiên cứu khác cùng thời gian này là đã tạo được hệ thống thông tin đáng tin cậy hơn hướng thông tin khí quyển đó là sự phát minh ra sợi quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đã tạo ra được một mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt khả thi hơn .Tiếp theo là KAO,Hockman và Werts năm 1966đã nhận thấy sự suy hao cua sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo. Những nhận định đó đã được sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970. Suy hao nay cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng đó các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lượt ra đời. Đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm. Và bây giờ sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ khoảng 0,154ds/Km tại bước sóng dài hơn là 1550nm cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hai thập niên qua. Giá trị suy hao này đã gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mốt là 0,14ds/Km . Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin các kim loại là: - Suy hao truyền dẫn. - Băng tần truyền dẫn rất lớn. - Không bị ảnh hưởng của nhiều điện từ. - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. - Có kích thước và trọng lượng nhỏ. - Sợi có tính cách điện tốt. - Tin cậy và linh hoạt. - Sợi được chế tạo từ vật liệu thông thường Do các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rải trên mạng lưới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đường trục trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa, vượt đại dương... Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần đây gọi là SONET (Sunchronceus optical Network), tốc độ truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một lưu lượng ghép kênh số trên sợi quang. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự (Analog) và số (diegital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. Bảng 1-1: Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản. Phân cấp Khối Bắc Mỹ Khối Châu Âu Nhật Bản Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại 1 2 3 4 5 1,544 6,312 44,736 274,176 274,176 24 96 672 4032 4032 2,048 8,448 34,368 139,264 565,184 30 120 480 1920 7680 1,544 6,312 32,064 97,728 396,200 24 96 480 1440 5760 Bảng 1-2: Các mức phân cấp tín hiệu SONET Mức OC - 1 OC - 3 OC - 9 OC-12 CO-18 OC-24 OC-36 OC-48 Tốc độ truyền Mbit/s 51,84 155,52 466,56 622,08 933,12 1244,16 1866,24 2488,32 2.Cấu trúc và thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất đó, ta xét cấu trúc của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau: - Phần phát quang. - Cáp sợi quang. - Phần thu quang. Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp vở bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuếch đại, tái tạo tín hiện hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang Counetor, các mối hàn, các bộ nối quang, chia quang và trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Nguồn phát quang Các thiết bị khác Khuếch đại Bộ thu quang Trạm lặp Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Bộ nối quang Sợi dẫn quang Mối hàn sợi Bộ chia quang Phát quang Mạch điện Thu quang Khuếch đại quang Chuyển đổi tín hiệu Đầu thu quang Tín hiệu điện ra Hình 1-1: Tổng quát của hệ thống thông tin quang Trạm lặp có cấu trúc gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tin hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này sửa dạng và đưa vào đầu vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đâycác bộ khuyếch đại quang đã được sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm lặp quang. II. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang. 1.Các chức năng: Hình 1-2: Tổng quát hệ thống thông tin điện (a) và quang(b) 1. Nguồn tín hiệu thông tin là như nhau,đều là các dạng thông tin thông thường hiện nay như tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản... 2. Phần điện tử: là phần chung của cả hai hệ thống, để xử lý nguồn tin, tạo ra các tín hiệu điện đưa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A). 3. Bộ biến đổi điện quang E/O để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào cường độ bức xạ quang để cho phát đi. Cũng như trong thông tin điện với nhiều phương thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào bức xạ quang. Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lí điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng, còn các hệ thống coherence trong tương lai thì áp nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ coherence là các bức xạ kết hợp. Tín hiệu ra phải (điểm c) là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra tại C, các tín hiệu cao tần được điều biến biên độ hoặc pha hoặc tần số. 4. Sợi quang SQ để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến, vai trò như kênh truyền dẫn. 5. Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu phát đi. Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang) nhưng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đưa vào phần điện tử, tách ra tín hiệu thu giống tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu. 6. Tải tin: Trong hệ thống điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thống quang và ánh sáng cũng là sóng điện từ song có tần số rất cao (1014á1015) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng. 7. Vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Tín hiệu truyền đưa trên đường truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có trạm lặp khuyếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu (tín hiệu digital). Hiện nay chưa thực hiện được khuyếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạm khuyếch đại trung gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện ba bước sau: - Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện. - Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu dưới dạng điện. - Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuyếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi. 8. Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đại lượng: - Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được. - Cự li trạm lặp hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự li trạm lặp rất lớn. Thực tế các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống truyền dẫn điện ở cả hai yêu cầu trên. Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố liên quan đến nhau như sau: - Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang. - Công suất bức xạ và khả năng điều biến của linh kiện phát quang. - Độ nhạy của máy thu quang. - Tiêu hao phụ khi sử lí các phần tử trên toàn tuyến. 2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống thông tin quang a. Ưu điểm: 1. Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các kim loại, đường kính mẫu của sợi quang là 0,1 mm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm. 2. Sợi cáp nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong. Chi phí vật liệu cáp ít, cáp lại được lắp đặt thuận tiện, ngay cả bằng tay. Cáp quang hiện nay cho phép tăng được nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đường kính cáp rất ít. 3. Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axít, kiềm...nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt. 4. Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập mạch. 5. Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện từ trường ngoài, nên có thể sử dụng sợi để cho các hệ thống thông tin ở những nơi có nhiễu điện từ trường mạnh như trong các nhà máy, nhà máy điện...mà không cần che chắn ảnh hưởng điện từ. 6. Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hưởng điện từ nên sợi quang cũng được sử dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu. 7. Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giữa các sợi quang, đảm bảo không bị nghe trộm. 8. Vì sợi quang là sợi điện môi, nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàn toàn cách điện và không có mạch vòng chảy qua đất. 9. Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng.Trong tương lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ dải rộng cũng rất phù hợp. 10. Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều. b. Nhược điểm: Do lưu lượng thông tin đòi hỏi ngày càng lớn, dung lượng tuyến ngày càng được nâng cao và đến lúc vượt quá khả năng của thiết bị truyền dẫn. Nhất là các tuyến cáp quang, trục cáp quang có dung lượng tuyến tăng rất nhanh. Để nâng cao khả năng của một tuyến thông tin các nhà điều hành mạng phải lựa chọn: Xây dựng thêm tuyến truyền dẫn quang. Nâng cấp đường tuyến bằng phương pháp ghép kênh theo thời gian. Nâng cấp đường truyền bằng phương pháp ghép kênh theo bước sóng Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối đặc là trong việc hàn nối sợi quang là rất phức tạp. Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn được đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện(ví dụ như việc cấp nguồn điện cho trạm lọc ở giữa biển). Chương II: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sợi quang 1. Bản chất của ánh sáng. Bản chất của ánh sáng có thể coi là một chùm các phần tử lại rất nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như đang đi theo một đường thẳng và thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. Quan điểm này đã mô tả đầy đủ các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ như hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Vào năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ. Hơn thế khi quan sát các hiệu ứng về phân cực người ta thấy sự chuyển động của sóng luôn vuông góc với hướng của sóng đi, điều đó nói lên sóng ánh sáng là sóng ngang. 2. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng. 2 P b (1) n2 n1 (2) 1 P n2 n1 aT Vùng phản xạ toàn phần Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng chủ yếu dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường đặc hoá sang môi trường loãng hơn. Cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 (n2 < n1); Tia tới 91) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc tới là a. Khi sang môi trường thứ hai, tia sáng bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P một góc khúc xạ b các đại lượng này đều tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1 sina = sinb ứng với góc tới hạn aT thì góc khúc xạ n2 n1 b = 900 lúc này sinaT = Vậy điều kiện để xây ra phản xạ toàn phần là: các tia sáng phải đi từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn và góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn. Cấu trúc của sợi dẫn quang và các mode truyền dẫn. Để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng trong sợi thì trước hết cấu trúc của nó phải là một ống dẫn nóng hoạt động ở dải tần quang, có dạng hình trụ làm bằng vật liệu thủy tin có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 < n1. Vật liệu cấu tạo lõi sợ thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thủy tinh hay chất dẻo trong suốt. Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. - Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (SI - Step Index). - Loại sợi có chỉ số chiết suất Gradien (GI). - Loại sơi phân chia theo mode truyền dẫn. Mode ở đây chính là sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn. Mỗi một mode truyền dẫn là một mẫu các trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang a.Khẩu độ số NA Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc giới hạn qmax. Sin của góc giới hạn này được gọi là khẩu độ số , ký hiệu NA. NA=sinqmax Hình 2-1:Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau áp dụng công thức Snell để tính NA Tại điểm A đối với 2 tia: n0sinqmax=n1sin(900-q0) n0=1,chiết suất của không khí sin(900-q0)=cosq = = vì sinq0= Do đó NA=sinqmax== n1 Trong đó: D= Độ lệch chiết suất tương đối b. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index) Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau. Hình 2-2: Sự truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất nhảy bậc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc (vì v = c/n1, ở đây n1 không đổi) mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng: Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tượng tán sắc, do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua cự li dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần. c. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index). Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol: Vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Hình 2-3:Sự truyền ánh sáng trong sợi GI Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đôỉ theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn (v = c/n) và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường Parabol ( g = 2) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. Ví dụ độ chênh lệch thời gian truyền qua một Km chỉ khoảng 0,1 ns. Cũng cần lưu ý rằng góc mở q ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính R vì n1 là hàm n1(r). Sinq(r) = = NA<= NA. Trên trục sợi: r = 0 thì q(0) = qmax Trên mặt giao tiếp: r = a thì q(a) = 0 d. Sợi đa mode (MM: Multi- Mode) Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N cũng lớn. Các thống số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125mm) là: - Đường kính lõi: d = 2a = 50mm - Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm - Độ lệch chiết suất: D = 0,01 = 1% - Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 = 1,46 Nếu làm việc ở bước sóng l = 0,85mm thì: V = Và số mode truyền được trong sợi là: ( Nếu là sợi SI) N = Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần a. Sợi SI b. Sợi GI Hình2-4 Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125mm) e. Sợi đơn mode (SM: Single Mode) Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản, truyền được trong sợi thì sợi được gọi là sợi đơn mode. Sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số V< VC1 = 2,405. Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc. Các thông có của sợi đơn mode thông dụng là: - Đường kính lõi: d = 2a = 9mm á 10mm - Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm - Độ lệch chiết suất: D = 0,003 = 0,3% - Chiết suất lõi: n1 = 1,46 Hình2-5: Kích thước sợi đơn mode ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này. Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại sợi GI, đặc biệt ở bước sóng l = 1300nm, độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp. Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode đang được dùng phổ biến. 4. Cấu trúc các loại sợi dẫn quang r n2 n1 n (Sợi đa mode chiết suất biến đổi SI - MM xung vào xung ra r xung vào n2 n1 n (Sợi đa mode chiết suất bậc SI - MM xung ra n2 n1 n (Sợi đơn mode SM) xung vào xung ra Hình1-5: Danh mục Loại sợi Phân loại theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc. - Sợi có chỉ số chiết suất Gradien. Phân loại theo Mode truyền dẫn - Sợi đơn Mođe. - Sợi đa Mode. Phân loại theo cấu trúc vật liệu - Sợi thủy tinh. - Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo. - Sợi thủy tinh nhiều thành phần. - Sợi chất dẻo. Bảng2-1: Phân loại sợi dẫn quang dựa vào chiết suất, mode truyền dẫn và cấu trúc vật liệu 5. Đặc tính vật lý của sợi quang: Nhìn chung chúng có cấu tạo từ lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi dẫn quang dài và mảnh, chúng có vai trò truyền tính hiệu thông tin ở cự ly xa và tốc độ lớn nên phải được cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất của chúng. Nhưng trong thực tế, sợi dẫn quang lại phải chịu những ứng suất và lực căng trong quá trình bọc cáp, quá trình lắp đặt cũng như khai thác ở các môi trường thực tế. Vì vậy, ngoài các đặc tính truyền dẫn của sợi dẫn quang, các đặc tính cơ học của nó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình vận hành khai thác trong hệ thống thông tin. Các đặc tính đó được thể hiện ở lúc chế tạo cáp, lắp đặt cáp và trong suốt quá trình khai thác. Trong lúc bọc cáp và lắp đặt tuyến, tải trọng tác động vào sợi có thể ở dạng xung lực hoặc thay đổi từ từ. Khi cáp được khai thác thì các tải trọng thường thay đổi chậm, có thể do ảnh hưởng từ nhiệt độ hay sự thay đổi của môi trường lắp đặt cáp... Sức bền và độ mỏi là hai đặc tính cơ bản của sợi quang. Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh nên nó cũng dễ vỡ như gương kính và các loại thủy tinh thông thường khác và như vậy sợi quang không phải là sản phẩm chịu lực khoẻ. Song ứng suất phá vỡ theo chiều dọc của nó có thể so sánh được với các dây kim loại. Lực liên kết của các nguyên tử cấu tạo nên sợi dẫn quang đã chi phối đến sức bền thực chất của nó. Sợi quang thủy tin có độ dài ngắn có thể chịu lực căng lớn nhất khoảng 14 GPa. Trong khi đó sợi thép chịu 20 GPa. Sự khác nhau đó là do tính không thể co giãn được của sợi thủy tinh so với sợi kim loại, khi tới ngưỡng gây đứt, sợi thủy tin có thể giảm một lượng không đáng kể khoảng 1% trước khi bị kéo đứt. Trên thực tế, sự tồn tại những tập trung ứng suất ở bề mặt của các vết nức hoặc vết rạn sẽ giới hạn độ dài trung bình của các sợi quang dài nằm trong khoảng 700 đến 3500 MPa. Lực gãy nứt của độ dài sợi đã cho được xác định dựa vào kích cỡ và cấu trúc hình học của vết nứt nghiêm trọng nhất trên sợi. Ví dụ một kiểu vết nứt cơ học sau, nó có dạng hình elip như vậy quy về dạng chung có tên là vết rạn Griffich. Nếu gọi độ rộng vết nứt là W, độ sâu là X và bán kính đầu mút là d thì sức bền của vết rạn sợi thủy tinh có quan hệ sau: K = Y. d . ệX trong đó: K: cường độ ứng suất (đơn vị là: megaposcal) X: (mm) Y: hằng số Giá trị lớn nhất của K sẽ phụ thuộc vào thành phần của thủy tinh nhưng dự kiến nằm trong dải từ 0,6 á 0,9 MN/Cai3P Bán kính đầu W x mút 0 ứng suất d Hình 2-7.Mẫu giả định về vết rạn nứt trên sợi dẫn quang Nhìn chung, trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu nhiên cho nên lực gãy đứt phải được xác định theo thống kê. Nếu gọi F(d,L) là xác suất tích lũy, L là chiều dài sợi bị giới hạn dưới một ứng suất d, và giả thiết rằng các vết nứt là độc lập được phân bố ngẫu nhiên trên sợi dẫn quang và sự gãy đứt sẽ xảy ra ở vết nứt nghiêm trọng nhất, thì ta có: F(d,L) = 1 - e-LN(d) với N(d) số tích lũy các vết nứt trên một đơn vị độ dài có một sức bền nhỏ hơn d. Ngược lại, độ mỏi lại liên quan đến sự lớn dần của các vết nứt có trên sợi dẫn quang dưới tác động của độ ẩm và ứng suất căng. Sự lớn dần của vết nứt làm cho sợi bị đứt ở một ứng suất thấp kém so với ứng suất dùng để kiểm tra độ bền của sợi. Vết nứt như ví dụ trên sẽ cắt thông qua sợi dây do sự ăn mòn của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt. Nguyên nhân thứ nhất là sự xuất hiện của nước từ môi trường ngoài xâm nhập vào, nó làm giảm sự liên kết phân tử SiO2 trong thuỷ tinh. Tốc độ của phản ứng sẽ tăng khi sợi chịu sự tác động của ứng suất đặt vào nó. Nhưng theo thực nghiệm thì sự mỏi tĩnh học sẽ không xảy ra nếu như mức ứng xuất nhỏ hơn xấp xỉ 0,20 sức bền. Trong thực tế các loại vỏ bọc dùng trong sợi dẫn quang hiện nay có khả năng để bảo vệ chống lai sự ăn mòn của môi trường ngoài, một yếu tố quan trọng nữa là độ mỏi động. Khi các sợi dây quang đặt vào trong đường ống cáp ,nó phải chịu ứng xuất lặp đi lặp lại do tác động của dây cáp lên. Cáp bị dâng là do những cọ sát giữ cáp và đường ống hoặc dụng cụ dẫn cáp trong các bể cáp ở các tuyến cáp đi lượn vòng. Cáp treo cũng chịu các ứng xuất tăng lên do các tác động của gió . Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau : - Sợi thuỷ tinh :Chủ yếu dùng dioxit Silic (SiO2). - Sợi thuỷ tinh Halogen :Là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn . - Sợi thuỷ tinh tích cực :Là sự kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thụ động bình thường thuỷ tinh: - Các loại sợi vỏ chất dẻo :Vỏ thường được chế tạo từ hỗn hợp Pôlime có chỉ số chiết suất hoá bởi dioxit Silic. - Sợi chất dẻo : Là loại sợi sợi chiết xuất phân bậc có lõi và vỏ phản xạ hoàn toàn được cấu tạo từ vật liệu chất dẻo . 6. Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang: a. Suy hao do hấp thụ: - Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Niken (Ni). Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Với nồng độ tạp chất một phần triệu (10-6) thì độ hấp thụ của vài tạp chất như trên. Hình2-8: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỉ (10-9). - Sự hấp thụ của ion OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỉ để giảm độ hấp thụ của nó. Hình2-9: Độ hấp thụ của ion OH(với nồng độ 10-6) - Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang và thuỷ tinh có độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang. Hình2-10: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại b. Suy hao do tán xạ - Tán xạ Rayleigh: Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi như bọt không khí, các vết nứt ... khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác, thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (l-4) nên giảm rất nhanh về bước sóng dài. ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1 đến 2 db/km và ở bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3db/km. ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa. Cần lưu ý rằng tán xạ Rayleigh là một nguyên nhân gây suy hao cho sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường trong các máy đo quang dội. Hình2-11:Suy hao do tán xạ Rayleigh - Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần. c. Suy hao do sợi bị uốn cong: - Vi uốn cong: Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài. - Uốn cong khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Dĩ nhiên không thể tránh được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể. Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông thường từ 30mm đến 50mm. Hình2-12: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R Chương III: Cáp quang 1.Khái quát chung: Để đưa được sợi dẫn quang vào sử dụng trong môi trường thực tế của mạng lưới viễn thông, các sợi cần phải kết hợp lại thành cáp với môi trường lắp đặt. Cấu trúc của cáp sợi quang rất đa dạng và khác nhau ở nhiều điểm, tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể và dựa vào môi trường đặt cáp mà cpá quang cũng có các tên như cáp kim loại là: - cáp chôn trực tiếp dưới đất - cáp kéo trong cống - cáp treo ngoài trời - Cáp đặt trong nhà - Cáp nối giữa các thiết bị - Cáp ngập nước - Cáp thả biển... Đối với từng loại cáp khác nhau sẽ có thiết kế khác nhau, nhưng các nguyên lý cơ bản về thiết kế đều phải có trong mọi loại cáp. Đặc thù về cấu trúc sợi quang có được là do có đặc tính cơ học của sợi thuỷ tinh. Một đặc tính cơ học quan trọng là tải trọng quanh trục cho phép lớn nhất trên cáp vì yếu tố này sẽ xác định độ dài của cáp được đặt. 2. Các phần tử của cáp: Cũng như cáp kim loại ,cáp quang c ũng có những yêu cầu ,đặc điểm cần phải đáp ứng trước hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm, nhiệt độ hoặc các lực cơ học tác động. Cáp cần đáp ứng các yêu cầu sau: - Không bị ảnh hưởng nhiễu điện tử. - Không thấm nước, lọc nước. - Chống được các ảnh hưởng của tác động cơ học như va chạm, lực kéo, lực nén, uốn cong .... - ổn định nhiệt khi nhiệt độ thay đổi. - ít bị bão hoà ,có thời gian làm việc lâu. - Trọng lượng nhỏ và kích thước bé. Cấu tạo của cáp quang gồm: a. Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng ,cả sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp .Lõi thường bao quanh phần tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất dẻo. Bảng 3-1: Các đặc tính vật liệu dùng làm lõi : Vật liệu Lực căng (KG/mm2) Độ giảm dài phá huỷ cáp (90) Module young (KG/mm2. 102) Giảm nhiệt 10-5/0C Sợi quang 500 5 71 0,05 Nylon 5,6 á 6,5 300 1,3 á 2,4 20 Polyethylene: Mật độ cao 2,1 á 3,8 15 á 100 0,4 á 0,7 11 á 13 Polyethylene: Mật độ thấp 0,7 á 1,4 90 á 650 0,1 á 0,24 10 á 22 Polypropylene 3,3 á 4,2 200 á 700 1,1 á 1,4 8 á 9,5 Polyvinilehlo Rride (PVC) 0,7 á 0,24 200 á 400 0,1 7 á 21 Fluoroethylen Propylene (FEP) 2 á 3,2 250 á 330 0,35 8,3 á 10,5 Plybuthylen Terephthalete (PBT) ~ 6 200 2,5 6 á 9 b. Thành phần gia cường: là các phần tử tạo cho cáp có lực cơ học cần thiết để chịu được căng và co đặc biệt là bảo đảm tính ổn định cho cáp. Các vật liệu có Modul Young cao thường được sử dụng làm thành phần gia cường .Ngoài ra,yêu cầu vật liệu gia cường là phải nhẹ ,có độ mềm dẻo .Đay là các đặc tính quang trọng quá trình lắp đặt kéo cáp trong cống .Thành phần gia cường là kim loại hay phi kim .Nó có thể được đặt ở tâm cáp hoặc phân bố ở các lớp ngoài đồng tâm với cáp . Bảng 3-2: Các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường. Vật liệu Trọng lượng riêng Modul young (KG/mm2) ứng suất thu được (KG/mm2) Độ giãn dài thu được (90) ứng suất phá vỡ (KG/mm2) Độ giãn dài gãy đứt (90) - Sợi thép - Sợi cacbon - Sợi chất dẻo pha thủy tinh (GFRP) - Kevlav 49 - Kevlav 29 7,86 1,5 2,48 1,44 1,44 20 . 103 10-20.103 9 . 103 13 . 103 6 . 103 40 – 150 150 – 200 300 300 70 0,2 – 1 1 - 1,5 3 2 1,2 50 – 300 150 – 200 300 300 300 20 - 25 1,5 2,4 2 4 Các thành phần kim loại thường là thép vì thép có modul Young cao,hệ số giãn nở nhiệt thấp. Thép là vật liệu không đắt nhưng cần phải bảo vệ chống ăn mòn và chống phóng điện khi có điện áp trên nó. Dùng thép làm thành phần gia cường sẽ không hợp với các loại thép có yêu cầu có tính mền dẻo cao. Các thành phần gia cường phi kim loại thường là các sợi dẻo pha thuỷ tinh hoặc sợi aramid.Các sợi aramid không có hiệu quả trong việc chống hiệu ứng co, vì vậy thường được đặt ở phần ngoài của cáp. Modul Young của sợi aramid rất cao, trọng lượng rất thấp cho nên nó cạnh tranh với cả thép.Các loại cáp sợi quang chỉ sử dụng các thành phần gia cường là chất dẻo hoặc sợi aramid gọi là cáp phi kim loại, cáp này có trọng lượng nhỏ và không nhạy cảm với ảnh hưởng của trường điện. Các sợi cácbon cũng có thể làm gia cưòng cho cáp nhưng giá thành cao nên chưa được sử dụng rộng rãi. c.Vỏ cáp: Vỏ cáp sợi quang có chức năng cơ bản là bảo vệ cáp và có tính chất quyết định tuổi thọ của cáp .Vỏ cáp có thể được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị các tác động của ứng xuất cơ học và môi trường bên ngoài .Vật liệu chế tạo vỏ ngoài cáp thường là PVCpolyetylen và Polyurthane và pôlyurethane. Trong các vật liệu này, PVC có các đặc tính cơ học tốt, rất mềm dẻo và chậm bắt lửa, nhưng lại dễ hút ẩm. Pôlyêthylen có độ hút ẩm thấp hơn PVC khoảng 100 lần, có đặc tính cơ học và hoá học cao nhưng lại dễ cháy và ít mềm dẻo hơn PVC. Pôlyurethan có độ ma sát thấp cho nên rất phù hợp cho cáp kéo trong ống.Còn pôlyurethan thường làm vỏ bọc trong của cáp vì nó rất mềm, nó không được sử dụng làm vỏ bọc ngoài vì có hệ số ma sát cao, các đặc tính cơ học thấp. Vỏ bọc,kim loại của cáp thường là các băng thép nhẵn hoặc các sợi thép xếp thành hình vỏ bọc. Các vỏ này thường dùng cho các loại cáp chôn trực tiếp để bảo vệ chống các ứng suất cơ học,gặm nhấm, chống sự phá huỷ của côn trùng và các sinh vật. Cấu tạo chung của cáp . 1 1 1 2 2 3 3 3 2 2 1. Phần tử gia cường 2. Lõi cáp 3. Vỏ bọc PVC Ưu điểm của cáp quang vì là phi kim không có hiện tượng cảm ứng điện từ nên có thể lắp đặt cạnh các đường của điện lực và nơi khác. Vật liệu chế tạo rẻ, tiêu hao nhỏ dưới 1ds/km dải tần truyền dẫn rộng, tốc độ truyền dẫn cao đạt đến hàng chục Gbit/s... Ngoài ra cáp quang còn có một số nhược điểm về tính chất và kỹ thuật đó là vì thành phần lõi là sợi quang rất giòn, dễ gãy do tác động giãn nở kéo dài. Còn về phương diện truyền nóng thì nếu cáp uốn cong ngoài yêu cầu cho phép thì sẽ dẫn đến sự suy hao thông tin truyền trong cáp... Ngoài ra ưu nhược điểm của cáp quang còn phụ thuộc vào sự phân loại sử dụng cáp theo yêu cầu kỹ thuật như cáp truyền dẫn đường dài, nội hạt hay là trên mạng trung kế... và theo yêu cầu về địa lý như cáp chôn trong cống, cáp thả dưới nước... 3.Các loại cáp và ứng dụng : Thiết kế và lựa chọn cáp sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào môi trường lắp đặt. Có rất nhiều nhà chế tạo cáp cho ra các chủng loại cáp rất đa dạng,nhưng nhìn chung sản phẩm cáp sợi quang được phân ra các loại chính sau đây: a.Cáp treo Cáp treo có thể có cấu tạo ôm sát vào thành phần gia cường kim loại hoặc phi kim loại độc lập, hoặc dưới dạng tự chịu lực. Cáp ở trường hợp thứ nhất thường dùng cho môi trường có băng tuyết và gió, có cự ly dài. Tường hợp thứ hai là cáp tự chịu lực, cáp chịu ảnh hưởng của ứng suất cơ học và nhiệt độ. Cáp tự chịu lực đòi hỏi có sức bền cao và cần phải ở dạng cấu trúc bọc lỏng để sợi có khoảng tự do lớn hơn. b.Cáp treo trong cống Cáp treo trong cống phải chịu được lực kém và xoắn, có trọng lực nhẹ để dễ đặt và phải rất mền dẻo để vượt qua các chướng ngại trong khi lắp đặt. Loại cáp này cũng phải chịu được ẩm và nước vì trong cống cáp thường hay đọng nước. Chính vì vậy trong cấu trúc của cáp thường có chất độn jelly và thành phần chống ẩm bằng kim loại. Trong trường hợp cáp không được độn đầy thì cần phải có hệ thống bơm hơi cho cáp. Lớp bọc thép đôi khi cũng đươc sử dụng vào loại cáp này để chống gặm nhấm và côn trùng. Cáp kéo trong cống có ở tất cả các dạng cấu trúc bọc chặt, bọc lỏng trong ống, bọc lỏng bằng khe dưới dạng băng hoặc bó sợi. c.Cáp trôn trực tiếp. Các đặc điểm của cáp trôn trực tiếp tượng tự như cáp kéo trong cống vừa xét ở trên nhưng có bảo vệ tốt hơn thể hiện ở một số điểm là cáp trôn thương phải có lớp vỏ bọc lim loại tốt để tránh sự phá huỷ do đào bới đất hoặc các tác đông khác trong đất. Vỏ bộc thép bên ngoài gồm các sợi thép hoặc các băng thép. Vỏ bọc ngoài lớp thép này là vỏ chất dẻo. Cáp chôn trực tiếp cũng có đủ các dạng cấu ytúc bọc chặt, lỏng trong ống và khe, dạng băng và bó sợi. d. Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy. Loại cáp này thường có số sợi dẫn quang ít, các đặc tính chủ yếu là: kích thước bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác và hàn nối. Cáp cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt. Vì loại cáp này thường bám sát tường nhà và thiết bị cho nên nó phải bảo đảm không dẫn lửa, không phát ra khí độc trong phòng. Cấu trúc loại cáp này thường ở dạng bọc chặt để bảo đảm kích trước nhỏ và chắc. e. Cáp ngập nước và thả biển Cáp ngập nước sử dụng để thả qua sông hoặc qua khu vực có nước ngập cạn, đồng lầy..., vì vậy loại cáp này cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: + Tính chống ẩm và chống thấm nứoc tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn. + Có khả năng chống sự dẫn nước dọc theo cáp + Có khả năng chịu được sự kéo khi lắp đặt và sửa chữa cáp. + Chống lại được các áp lực thống kê. + Cho khả năng hàn nối sửa chữa dễ dàng. + Có cấu trúc tương thích với cáp đặt trên đất liền. Cấu trúc của cáp thả biển đòi hỏi rất phức tạp. Có thể xem đây là cáp đặc chủng vì nó đòi hỏi nhiều yêu cầu còn khắt khe hơn loại cáp ngập nước ở trên nhiều lần.Ngoài các yếu tố trên, cáp thả biển còn phải chịu tác động đặc biệt khác như khả năng thâm nhập của nước biển, sự phá hoại của các đọng vật dưới biển, sự cọ sát của tàu thuyền... Chương iv: phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện I. Phần biến đổi điện quang: * Các chức năng chung: Linh kiện biến đổi quang điện được đặt ở hai đầu sợi quang, có hai loại linh kiện quang điện : - Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, được gọi là nguồn quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. Năng lượng điện tử Tái hợp điện tử và lỗ trống Dòng lỗ trống hv = 820 nm - 1,51eV + Vùng tích cực Vùng dẫn sóng - Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Còn gọi là linh kiện tách sóng quang,(hay linh kiện thu quang). Linh kiện này cí nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang, tức là tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó. Chất lượng của các linh kiện biến đổi quang điện và chất lượng của sợi quang quyết định cự ly, dung lượng và chất lượng của tuyến truyền dẫn quang. Điôt phát quang LED a. Cấu trúc của LED. Cấu trúc của LED (Light - EmittinPg Diode) là một loại nguồn phát quang cho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa Mode. Tuy nhiên ngày nay trong phòng thí nghiệm người ta có thể sử dụng ở cả tốc độ bít tới 565Mbít/s do có sự cải tiến công nghệ cao. Để sử dụng tốt trong các hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính bằng Watt. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa sợi dẫn quang và LED dễ dàng và đưa ra được công suất phát ra từ đầu sợi lớn. Có hai loại: cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép ( không thuần nhất).Tuy nhiên trong quá trình khảo sát và tiến hành nghiên cứu và điều tra, người ta thấy cấu hình dị thể kép mang lại hiệu quả nhất và được ứng dụng nhiều nhất. Vùng chiết suất thấp Vùng chiết suất cao Vùng chiết suất cao Suy hao Vùng tích cực Dải kim loại Cổng phát -200 00 200 -100 00 100 -100 00 100 Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên của vùng bán dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm trước khi nghiên cứu Laser. Với cấu trúc này, các hạt mang và trường quang đều được giữ ở trong lớp tích cực nằm ở trung tâm. Sự khác nhau về dải cấm của các lớp lân cận Hình 4-1: Cấu trúc dị thể kép tiêu biểu sẽ giới hạn các hạt mang điện tích. Trong khi đó tồn tại sự khác về chỉ số chiết suất của các lớp lân cận lại giới hạn trường quang tới lớp tích cực ở trung tâm. Điều này tạo ra sự phát xạ cao rất có hiệu quả. ở đây, các tham số khác có ảnh hưởng tới đặc tính của thiết bị là sự hấp thụ ánh sáng trong vùng tích cực ( Tự hấp thụ ), sự tái kết hợp hạt mang phun vào và độ dầy của lớp tích cực. LED có hai loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang là cấu trúc phát mặt ( LED phát mặt )và cấu trúc phát cạnh ( LED phát cạnh ). Đối với phát mặt thì mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫn quang. Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50 mm và độ dày khoảng 2,5 mm. Mẫu phái chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùm phái khoảng 1200. Mẫu đẳng hướng này còn được gọi là mẫu lambertian, khi quan sát từ bất kì hướng nào thì độ rộng của nguồn phát cũng ngang bằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosq với q là góc hợp giữa hướng quan sát với pháp tuyến của bề mặt. Cống suất này giảm xuống 50% so với đỉnh khi q = 60°. LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn.Cả hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chỉ số chiết suất của các vật liệu bao quanh. Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn nóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi. Để tương quan với lõi sợi dẫn quang có đường kính nhỏ từ 50 á 100 mm, các dải tiếp xúc với LED phát cạnh phải rộng từ 50 á 70 mm. Độ dài của các vùng tích cực thường là 100 á 150 mm. Mẫu phát của LED phát cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát mặt. Si02 Si02 Phiến tỏa nhiệt Vật liệu bao phủ Kim loại hóa Chất nền Lớp cấu trúc dị thể kép Sợi quang Giếng khắc hình tròn Các lớp hạn chế Hình 4-2: Cấu trúc LED phát mặt Giải tiếp xúc Miền hoạt tính Kim loại Chất nền Tỏa nhiệt Lớp dẫn ánh sáng Lớp Si02 cách điện Các lớp dị thể kép ánh sáng ra kết hợp Hình 4-3: Cấu trúc LED phát cạnh b. Vật liệu của nguồn phát quang: các vật liệu bán dẫn được dùng cho lớp tích cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dải cấm trực tiếp. Trong bán dẫn có dải cấm trực tiếp, các điện tử và lỗ trống có thể tái kết hợp trực tiếp qua dải cấm mà không cần qua phần tử thứ ba để bảo tồn động lượng. Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có sự tái kết hợp đủ lớn để đưa ra được mức phát quang thoả đáng. Trong thực tế không tồn tại bán dẫn đơn phân tử cho các dải cấm trực tiếp, mà vật liệu dải cấm trực tiếp chỉ có thể tạo ra từ các hỗn hợp ghép phân tử. Bảng 4-1: Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng Các vật liệu hai thành phần GaP (Gali - Phốt pho) GaAs (Gali - Asên) AlAs (Nhôm - Asen) InP (Inđi - Phốt pho) InAs (inđi - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm Vật liệu 3 và 4 thành phần AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen) InGaAsP(Inđi-Gali-Asen) 1,42 á 1,6 eV 0,74 á 1,13 eV 6,77 á 0,87 mm 1,1 á 1,67 mm c. Điot phát quang LED cho các hệ thống thông tin quang: Khi công nghệ thông tin quang chưa được phát triển, điot quang thường dùng cho các sợi dẫn quang đa mode. Nhưng chỉ sau một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang được triển khai khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được áp dụng vào các hệ thống thông tin quang là chủ yếu thì LED cũng đã có dưới dạng sản phẩm là các modul có sợi dẫn ra ( Pigtail ) là sợi dẫn quang đơn mode. Vì vậy ở đây ta cũng chỉ chủ yếu xem xét LED cho các hệ thống thông tin quang sợi đơn mode. Các điot phát quang dùng cho sợi đơn mode SMF ( Single Mode Fibre ) là các nguồn phát hấp dẫn đối với mạng nội hạt và các tuyến có cự ly ngắn khác vì nó có giá thành rẻ. Công suất quang đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản. d. Đặc tính ứng dụng của các diot phát quang: Có hai dạng cấu trúc của LED sẵn có là phát mặt và phát cạnh. Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều này giúp cho chi phí về giá thành thấp. Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảo đảm độ tin cậy để duy trì chất lượng thông tin tốt. Các mức công suất thường ghép với ELED nằm trong khoảng từ 2 á 10 mm ở điều kiện nhiệt độ phòng. Có một số loại đặc biệt có thể tạo ra công suất lớn hơn do có sự phát xạ cực khoẻ. Tuy nhiên công suất thêm này cũng bị ràng buộc với điều kiện nhiệt độ thay đổi. Tốc độ điều biến phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn phát LED và điều kiện điểu khiển. Các thiết bị ở thị trường hiện nay đạt tốc độ 200 mbit/s còn thiết bị thực nghiệm cho ELED thì cao hơn đạt 565 mbit/s đến 1,2 Gbit/s. Loại LED phát mặt sử dụng với sơi đơn mode có ưu điểm đó là liên kết đơn giản nhưng công suất phát ra tương đối thấp, khoảng 1,5 mW khi làm việc ở tốc độ 565 mbit/s và dải phổ rộng. Thực tế sử dụng LED với sợi dẫn quang đơn Mode đã thu được kết quả khá khả quan. Thực nghiệm độ dài tuyến đạt tới 9,6 Km ở tốc độ 2 Gbit/s và 100 Km với độ 16 mbit/s. Độ dài tuyến bị giới hạn vì quý công suất và tán sắc gây ra do độ rộng phổ của LED. Tuy nhiên, các tuyến thông tin trên thực tế thì sự sai số về công nghệ chế tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ đối với bước sóng trung tâm của LED,độ rộng phổ cho tán sắc sợi, sự thay đổi suy hao. Như vậy cả hai loại LED phát cạnh và phát mặt đều có thể sử dụng cho các hệ thống thông tin quang sợi đơn mode. Chúng có ưu điểm dễ dàng nhận thấy là giá thành thấp và độ tin cậy cao. Các ưu điểm này có thể phù hợp với các giải pháp xây dựng mạng nội hạt và các tuyến thông tin quang có cự li vài km tốc độ trung bình và thấp một cách có hiệu quả. Bảng4-2: Các đặc tính ELED tiêu biểu - Công suất ra đối với sợi đơn Mode SMF (250C, dòng điều khiển 150 mA) - Thời gian lên/xuống - Độ rộng phổ nửa công suất (250) - Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra - Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo t0 - Độ giãn phổ 2 á 10 mW 3 ns max 80 á100 nm 1,2% / 0C 0,5 á 0,8 nm/ 0C 0,4 nm/ 0C 2. Điôt Laser: có nhiều dạng với đủ mọi kích thước từ nhỏ như hạt thóc đến rất lớn. Chúng có ở dạng khí, lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang chủ yếu dùng Laser bán dẫn và thường là điot Laser (LD). Về cơ bản nguyên lý hoạt động của các loại Laser là như nhau thông qua ba quá trình mấu chốt, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Với năng lượng trạng thái nếu là E1 và E2 là năng lượng trạng thái kích thích theo định luật Plank thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có liên quan đến quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng hv12 = E2 - E1. Bình thường hệ thống ở trạng nền ( đất ). Khi một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống thì một điện tử ở trạng thái E1 có thể hấp thụ năng lượng photon và được kích thích lên trạng thái E2. Vì đây là trạng thái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay lại trạng thái ban đầu, vì thế phát ra một photon có năng lượng hv12. hv12 E2 E1 hv12 hv12 E2 E1 E2 E1 (Phát xạ kích thích) (Phát xạ tự phát) (Hấp thụ) Hình4.4: Ba quá trình chuyển dịch trong hoạt động của Laser Điều này xảy ra mà không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ này đẳng hướng, có pha ngẫu nhiên và xuất hiện như một đầu ra Gaussian băng hẹp. Điện tử cũng có thể được sinh ra để tạo ra một hướng chuyển dịch đi xuống từ mức kích thích tới mức nền nhờ có sự kích thích bên ngoài. Nếu một photon có năng lượng hv12 tác động vào hệ thống trong khi điện tử vẫn còn ở trạng thái kích thích của nó, thì điện tử sẽ được kích thích ngay lập tức để rơi xuống trạng thái nền và cho ra photon có năng lượng hv12.Photon dược phát ra này có pha là pha của photon tới và sự bức xạ ở đây được gọi là phát xạ kích thích. ở điều kiện cân bằng nhiệt mật, độ các điện tử được kích thích là rất nhỏ, cho nên hầu hết các photon tới trên hệ thống đều bị hấp thụ, và phát xạ kích thích hầu như không có. Phát xạ kích thích sẽ vượt qua được sự hấp thụ chỉ khi nào tích luỹ ở trên trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái nền. Điều này được gọi là nghịch đảo tích luỹ. Vì đây không phải là điều kiện cân bằng cho nên nghịch đảo tích luỹ được thực hiện bằng kỹ thuật bơm. Trong Laser bán dẫn, nghịch đảo tích luỹ được tiến hành bằng cách phun các điện vào trong vật liệu tại tiếp điểm thiết bị để lấp các trạng thái năng lượng thấp hơn của vùng dẫn. a. Các cấu trúc của diot Laser và các mẫu bức xạ: Cấu trúc diot Laser dùng cho thông tin quang sợi, tới nay đã có rất nhiều các phương pháp thử nghiệm để nhằm đưa ra các mẫu cấu trúc có hiệu quả. Mức độ thành công của các phương pháp có khác nhau nhưng nhìn chung đều cùng một mục đích đó là làm hạn chế các mode bên để có được quá trình phát Laser ổn định, đảm bảo dòng ngưỡng tương đối nhỏ. - Cấu trúc thứ nhất là có một dải điện cực với độ rộng nhỏ hơn 8 mm được đặt dọc theo chiều dài của điôt laser. Sự phun các điện tử vào lỗ trống vào thiết bị làm thay đổi trực tiếp chỉ số chiết suất của lớp tích cực ở dưới dải. Loại này được gọi là Laser điều khiển khuếch đại (GGL). Ưu điểm là có thể phát công suất lớn trên 100 mW nhưng lại rất không ổn định và có tính Astimatic cao. - Các cấu trúc tiếp theo có tính ổn định hơn. Các loại này cấu tạo theo hướng bên. Sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của vật liệu khác nhau trong cấu trúc này sẽ điều khiển các Mode bên trong Laser. Nên các thiết bị này gọi là các Laser điều khiển chiết suất (IGL). Nếu như Laser điều khiển chiết suất riêng chỉ cho mode ngang cơ bản hoặc mode dọc cơ bản thì được gọi là laser đơn mode. Như vậy thiết bị sẽ phát chùm tia đơn hoàn toàn chuẩn trực với một mặt cắt có dạng đường cong Gaussian hình chuông. - Các Lasez điều khiển chiết suất có thể có các cấu trúc hạn chế sóng chiết suất dương hoặc hạn chế sóng chiết suất âm. Trong cấu trúc dẫn sóng chiết suất dương, vùng trung tâm có chỉ số chiết suất cao hơn vùng ngoài. Vì vậy toàn bộ ánh sáng được phản xạ tại ranh giới điện môi, tựa như tiếp giáp vỏ-lõi trong sợi dẫn quang.Bằng cách chọn thích hợp chỉ số chiết suất và độ rộng của vùng chiết suất cao hơn thì có thể tạo ra được thiết bị chỉ hoạt động cho một mode bên cơ bản. Còn ở cấu trúc dẫn sóng chiết suất âm, vùng tâm của lớp tích cực có chỉ số chiết suất thấp hơn vùng xung quanh. Tại vùng bên, một phần ánh sáng được phản xạ và phần còn lại được khúc xạ vào trong vật liệu ở xung quanh và sẽ bị tiêu hao ở đây. Suy hao bức xạ này xuất hiện trong mẫu bức xạ trường gần các búp bên hẹp.Vì các mode cơ bản trong cấu trúc này có suy hao bức xạ nhỏ hơn các mode khác, cho nên nó phát đầu tiên. Trong hai cấu này thì Laser chiết suất dương được sử dụng thông dụng hơn. b.Các mode và điều kiện ngưỡng của điot laser: Sự bức xạ quang trong hốc cộng hưởng của điot laser đã tạo nên một mẫu vạch trường điện và từ được gọi là các mode của hốc cộng hưởng. Các mode này có thể chia ra hai tập hợp mode độc lập là các mode điện ngang (TE) và các mode trường ngang (TM).Từng tập hợp mode có thể được mô tả dưới dạng sự biến thiên nửa hình sin dọc, ngang và bên của các trường điện từ dọc theo các trục chính của hốc. Các mode dọc có liên quan tới độ dài L của hốc và xác định cấu trúc cơ bản của phổ tần số trong bức xạ quang được phát ra.Vì L lớn hơn nhiều so với bước sóng phát tia Laser có độ dài khoảng 1mm, cho nên nhiều mode dọc có thể tồn tại. Các mode bên nằm trong mặt phẳng của tiếp giáp p-n. Các mode này phụ thuộc vào sự chế tạo vách bên và độ rộng của hốc, chúng xác định hình dạng mặt cắt bên của chùm tia Laser. Các mode ngang có liên quan tới trường điện từ và mặt cắt chùm tia nằm theo hướng vuông góc với mặt phẳng của chuyển tiếp p-n. Các mode này rất quan trọng vì chúng xác định các đặc tính của Laser cũng như mẫu bức xạ (sự phân bố góc của công suất quang đầu ra) và mật độ dòng ngưỡng... - Để xác định các điều kiện phát tia Laser và các tần số cộng hưởng, chúng ta diễn dải sự lan truyền sóng điện từ theo hướng dọc ( dọc theo trục vuông góc với các gương) dưới dạng pha trương điện. E(z,t)=I(z)ej(vt-bz) ở đây I(z):là cường độ trường quang v:là tần số bức xạ quang b:là hằng số lan truyền c. Các điot laser đơn mode: để xây dựng hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền xa, ta cần sử dụng các loại điot laser có độ rộng phổ hẹp, đó chính là các laser đơn mode. Các laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn.Để tạo ra Laser chỉ có một mode dọc thì phải giảm độ được độ dài L của hốc phát tia Laser tới lúc khi mà khoảng cách tần số Df của các mode bên đã cho lớn hơn độ rộng phổ Laser, điều này có nghĩa là chỉ có một mode dọc đơn rơi vào băng tăng ích của thiết bị. Ví dụ như đối với hốc Fabry-Perot toàn bộ các mode dọc gần như có suy hao ngang bằng và cách nhau vào khoảng 1nm, trong một hốc dài 250mm tại bước sóng 1300nm. Bằng cách giảm L từ 250 xuống 25mm thì khoảng cách mode sẽ tăng từ 1nm đến 10nm. Tuy nhiên sẽ nảy sinh vấn đề rất khó điều khiển thiết bị có độ dài này, mặt khác công suất phát của nó cũng lại giảm đi chỉ còn vài miliwatt. - Một số cấu trúc khác đã được triển khai trong đó phải kể đến Laser phát mặt và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số.ở cấu trúc Laser phát mặt độ dày vùng tích cực nhỏ hơn 10mm và như vậy nó giống như một thẳng đứng ngắn. Cấu hình như vậy sẽ giống như Laser phát cạnh nhưng sự bức xạ quang được hướng về phía mặt nhờ các gương 45° hoặc các bộ phản xạ Bragg phân bố cấp hai. d. Điều biến tần số cao: - có hai phương pháp nhằm thay đổi công suất quang đầu ra là điều biến xung dùng cho các hệ thống thông tin quang truyền dẫn số và điều biến biên độ dùng cho các hệ thống thông tin truyền dẫn tín hiệu analog. Một trong những ưu điểm có ý nghĩa nhất của laser bán dẫn là nó có thể điều biến trực tiếp nhờ thay đổi dòng cấp cho laser. Điôt laser có thời gian đáp ứng nhanh cho nên cho phép thực hiện điều biến ở tần số rất cao. Tần số điều biên bị giới hạn bởi hai cơ chế. Trước hết đó là giới hạn điện tử do các phần tử tạp ký sinh. Nó được nói tới cho những điện tử nối tiếp và điện dung song song có trong dây dẫn kim loại. Cơ chế thứ hai cơ bản hơn có liên quan đến đặc tính động của laser làm nảy sinh tần số cộng hưởng trong dải GHZ. Tần số này tỷ lệ với căn bậc hai công suất đầu ra. Hằng số tỷ lệ phụ thuộc vào số các tham số trong nội tại Laser và có thể được cải thiện trong thiết kế laser. Khi sử dụng diot laser cho các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, tần số điều biến có thể không lớn hơn tần số dao động tích tháot của của trường laser. Giao động tích thoát phụ thuộc vào cả thời gian sống tự phát tsp và thời gian sống photon tsp, đây là các tham số làm giới hạn tốc độ điều biến của laser. Về lý thuyết, dao động tích thoát xảy ra xấp xỉ tại: f = với tsp vào khoảng 1ns và tsp khoảng 2ns đối với laser dài 300mm, thì lúc mà dòng phun lớn gấp hai dòng ngưỡng Ith, tần số điều biến lớn nhất khoảng vài GHz. Dải động laser cũng có thể chịu ảnh hưởng từ các hiệu ứng quang phi tuyến , điều này đặc biệt quan trọng khi diot laser phát công suất cao. Quá trình này đã được xác minh rất rõ ràng trong các thực nghiệm đã được tiến hành, nhưng mức độ ảnh hưởng và tính chính xác ở đây chưa được hoàn toàn khẳng định. e. Các ảnh hưởng của nhiệt độ: chủ yếu là sự phụ thuộc vào nhiệt của dòng ngưỡng Ith (T). Dòng ngưỡng này sẽ tăng theo nhiệt độ trong tất cả các loại laser bán dẫn do nhiều các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ rắc rối gây ra.Tính phức tạp của nhiều các yếu tố này tạo ra một sự khó khăn trong quá trình hình thành một phương trình minh bạch rõ ràng. Tuy vậy sự thay đổi của Ith theo nhiệt độ cũng có thể được biểu diễn bằng phương trình rút ra từ kinh nghiệm: Ith(T)=IzeT/To với To: là giá trị đo của độ nhạy nhiệt độ tương đối Iz: là một hằng số II. Phần biến đổi quang điện 1.Nguyên lý cơ bản của các bộ tách sóng quang Bộ tách sóng quang trong bộ thu quang thực hiện chức năng cơ bản là biến dổi tín hiệu quang tới thành tín hiệu điện. Chức năng khác của bộ thu quang là khuếch đại và khi thực hiện truyền dẫn số thì có thể vừa tái tạo tín hiệu vừa điều khiển tầng sau của bộ thu quang. Trong thông tin quang, các bộ tách sóng quang phải thoả mãn các yêu cầu về tốc độ nhanh, độ nhạy thu cao , tạp âm thấp và bước sóng hoạt động phù hợp. Có một số loại bộ tách sóng quang hiện nay đang được sử dụng vì có kích thước nhỏ, vật liệu phù hợp, độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh.Có hai loại photodiode được dùng là loại photodiode PIN và photodiode thác (APD). 2. Bộ tách sóngPhotodiôt PIN: - cấu trúc cơ bản gồm các vùng P và n cách nhau bằng một lớp tự dẫn i rất mỏng. Để thiết bị hoạt động, thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng bên trong rút hết các hạt mang. Khi đó sự tập trung hạt mang n và P là nhỏ không đáng kể so với sự tập trung tạp chất trong vùng này. Khi có ánh sáng đi vào photodiôt quá trình xảy ra là nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn trong potođiot, thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Quá trình này sẽ làm phát ra các cặp điện tử lỗ trống mà đôi khi được gọi là hạt mang quang. Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu phát ra tại vùng trôi, nơi mà hầu hết ánh sáng đến bị hấp thụ sự có mặt trường điện cao trong vùng trôi làm cho các hạt mang tách nhau ra và được chu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược. Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp hạt mang được phát ra. Luồng dòng này được gọi là dòng photo. Tách nóng Thiên áp vùng cấm P Vùng dẫn Vùng hóa trị Tín hiệu ra Điện trở tải hv photon Điện tử hv ³ EF Lỗ trống Vùng nghèo n n R1 IP i i Hình 4-5: Vùng năng lượng của photođiot PIN Vì các hạt mang tích điện cháy qua vật liệu, cho nên một số các cặp điện tử - lỗ trống sẽ tải kết hợp và rồi biến mất. Bình thường, các hạt mang tích điện di chuyển với cự ly Ln đối với điện tử là Lp đối với lỗ trống. Cự ly này được gọi "Độ dài khuếch tán". Thời gian cần thiết để cho một điện tử hoặc lỗ trống tái hợp được gọi là "tuổi thọ hạt mang" và được mô tả bằng các đại lượng tn và tp tương ứng. Quan hệ giữa tuổi thọ và độ dài khuếch tán như sau: Ln = (Dn tn) 1/2 và Lp = (Dp tp)1/2 Với Dn là hệ số khuếch tán điện tử Dp là hệ số khuếch tán lỗ trống. được đo bằng centimet vuông trên giây. Bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo hàm mũ sau. P(x) = P0(1 - e -as (lm); ở đây as (l) là hệ số hấp thụ tại bước sóng l,P0 là mức công suất quang tới, và P(x) là công suất quang được hấp thụ ở cự ly x. 104 103 102 105 Hệ số hấp thụ ánh sáng (Cm) 10 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,4 Bước sóng (mm) Ge GaAs Ci Hình 4-6: Hệ số hấp thụ quang thay đổi theo bước sóng Hệ số hấp thụ quang thay đổi theo bước sóng. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ quang vào bước sóng đối với một số vật liệu có thể cho ta thấy as phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng. Như vậy vật liệu bán dẫn chỉ có thể được sử dụng trên một phạm vi bước sóng giới hạn mà thôi. Đặc tính của photođiôt thường được đặc trưng bởi đáp ứng (hệ số chuyển đổi) R. Nó liên quan đến hệ suất lượng tử. Đáp ứng A (W) InGaAs Si Ge Si 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 Bước sóng (mm) IP hq R = = P0 hv Hình 4-7:So sánh đáp ứng và hiệu suất lượng tử đối với photodiot PIN Tham số này rất hay sử dụng vì nó đặc trưng cho dòng photon phát ra trên một đơn vị công suất quang. Đáp ứng photođiôt PIN thường là hàm số của bước sóng như hình trên. Các giá trị đó là 0,6 mA/mW đối với Si tại bước sóng 900 nm; 0,45 mA/mW đối với Ge tại bước sóng 1,3 mm. Trong hầu hết các photođiot, hiệu suất lượng tử không phụ thuộc vào mức công suất đổ vào bộ tách sóng tại năng lượng photon đã cho. Như vậy đáp ứng là hàm tuyến tính của công suất quang. Có nghĩa là, dòng photon Ip tỷ lệ trực tiếp với công suất quang P0 tới bộ tách sóng, và như vậy đáp ứng R là hằng số tại bước sóng đã cho (giá trị hv). Tuy vậy, hiệu suất lượng tử không là hằng số ở tất cả các bước sóng vì nó thay đổi theo năng lượng photon. Vậy đáp ứng là một hàm các bước sóng và của vật liệu làm photodiot (vật liệu khác nhau có năng lượng giải cấm khác nhau). Đối với vật liệu đã cho, bước sóng của photon tới càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ để kích thích điện tử từ vùng hóa trị tới vùng dẫn, lúc này đáp ứng dóc nhanh hơn. 3. Photođiot thác: - Bản chất lượng tử của ánh sáng đã định ra giới hạn cơ bản đối với chất lượng, tức là tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm, và điều này được thể hiện ở các bộ thu quang. Tuy nhiên, ở các bộ cách sóng trực tiếp tạp âm có thể lớn lên do có sự phân bố tải và bộ tiền khuyếch đại. Cho nên khi sử dụng các bộ tách sóng PIN thì chỉ có cách làm giảm sự phụ thuộc các phân bố này theo sự cải thiện các đặc tính bộ tiền khuyếch đại. Đối với các tín hiệu nhỏ, photođiot thác có đặc tính tốt hơn, sau khi biến đổi các photon thành các điện tử, nó khuếch đại ngay dòng photo ngay trên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp theo và điều này làm tăng mức tính hiệu dẫn đến độ nhạy thu tăng lên đáng kể. Để thu được tín hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang quang sẽ được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh được đẩy từ vùng hoá trị tới vùng dẫn, rồi tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện. Các hạt mang mới được tạo ra này sẽ tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện tử- lỗ trống mới khác. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng thác. Quá trình thác dẫn tới làm tăng dòng. Đối với photođiot SI, ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức 105 V/cm. - Về nguyên lý, cả hai quá trình hấp thụ và khuếch đại đều xảy ra ở trong cùng một vùng trôi, ở các cấu trúc Pn hoặc PIN đơn giản. Cấu trúc thông dụng của photođiot. n+ n+ n+ n+ P P+ + - Vùng nghèo Trường điện Vùng thác Trường tối thiểu cần thiết để tác động ion hóa Hình 4-8: Cấu trúc photodiot thác và trường điện từ gồm có vật liệu P điện trở suất cao đặt làm lớp epitaxi nền P+. Sau đó khuếch tán hoặc cấy lớp n+ (loại n pha tạp nặng). Hai vùng cách nhau bởi một vùng trường điện thấp là nơi các photon được hấp thụ và các hạt mang quang trôi theo chiều phân cực, và một vùng trường điện cao là nơi các hạt mang được gia tốc và chịu quá trình nhân. Đối với Si, chất kích tạp ở vùng này thường tương ứng là B0 hoặc photpho. Cấu trúc như vậy thường được gọi là cấu trúc cận xuyên p+ipn+ - . Lớp i (hay II) cơ bản là lớp vật liệu tự dẫn có pha tạp một chút p. Khi có một thiên áp ngược nhỏ, hầu hết điện thế rơi vào tiếp giáp pn+, vùng trôi sẽ mở rộng ra cùng với sự tăng của thiên áp cho đến khi đạt được đến một giá trị điện áp mà tại đó trường điện tiếp giáp pn+ vào khoảng 5 á 10% phần phía dưới, đây là giá trị đủ đề gây ra thác đổ. Lúc này vùng trôi chỉ "cần xuyên" vùng tự dẫn. - Photođiot thác cận xuyên (RAPD) hoạt động theo kiểu hoàn toàn trôi. ánh sáng đi vào thiết bị xuyên qua vùng p+ và được hấp thụ trong vật liệu i, đóng vai trò như một vùng nhận các hạt mang quang được phát ra. Khi đang được hấp thụ, photon sẽ phát ra năng lượng của nó vì thế tạo rak các cặp điện tử lỗ trống, và chúng bị tách ra do tác động của trường điện trong vùng i. Các điện tử được phát ra trôi qua vùng i tới tiếp giáp pn+, nơi tồn tại trường điện cao và tại đây sẽ xảy ra sự nhân hạt mang quang. - Số cặp điện tử- lỗ trống trung bình được hạt mang tạo ra trong một đơn vị độ dài di chuyển được gọi là tốc độ ion hoá. Hầu hết các vật liệu có tốc độ ion hoá điện tử a khác nhau và tốc độ ion hoá lỗ trống b khác nhau. Kết quả thực nghiệm thu được các giá trị a và b với năm loại vật liệu bán dẫn khác nhau. Tỷ số k= của hai giá trị ion hoá sẽ xác định đặc tính của bộ tách sóng quang. 4. Mạch điện sơ lược của bộ thu quang ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb Cân bằng Photodiot (PIN hoặc APD) Bộ khuếch đại và các tham số đầu vào của nó Photodiode và điện trở định thiên Hình 4-9: Sơ lược mạch điện của bộ thu quang Trong sơ đồ trên, photodiode có thể là APD có hệ số khuếch đại trung bình là M hoặc photodiode PIN với M = 1. Hiệu suất lượng tử của photodiode là h và điện dung của nó là Cd. Điện trở thiên áp của bộ tách sóng có giá trị Rb phát ra dòng tạp âm nhiệt là ib (+). Điện trở Ra mắc song song với điện dung Ca tạo nên trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại. Khi có điện áp cấp qua mạch trở kháng này sẽ tạo ra dòng điện chảy qua bộ khuếch đại. Nguồn dòng có điều khiển tạo ra sự khuếch đại ở đây được tác động bởi độ hỗ dẫn gm (đo bằng ampe/vôn hoặc simen). Có hai nguồn tạp âm khuếch đại. Nguồn dòng tạp âm đầu vào ia(+) xuất hiện do tạp âm nhiệt của điện trở đầu vào đại Ra' ngược lại nguồn áp tạp âm Ca (+) biểu hiện tạp âm nhiệt của kênh khuếch đại. Các nguồn tạp âm này được giả thiết có dạng thống kê Gaussian,phổ phẳng.Bộ hiệu chỉnh tín hiệu nằm ở sau bộ khuếch và thường là bộ lọc tần số tuyến tính ,nó được sử dụng để giảm các ảnh hưởng của trễ tín hiệu và nhiễu bản thân. Một cách lý tưởng thì nó chấp nhận đáp ứng tần số kết hợp của bộ phát, môi trường truyền dẫn,và bộ thu, rồi chuyển nó thành dạng đáp ứng tín hiệu phù hợp với mạch sử lý tín hiệu ở sau. Trong vài trường hợp, bộ hiệu chỉnh có thể chỉ được dùng để hiệu chỉnh đáp ứng tần số của photodiode và bộ khuếch đại. 5. Các mạch tiền khuếch đại trong bộ thu quang: Các mạch tiền khuếch đại (Preamplifier) thường được thiết kế với mục tiêu sao cho có tỷ lệ tín hiêụ trên tạp âm lớn nhất với mức nhiễu bản thân là nhỏ nhất.Các đặc tính chính khi nhận dạng mạch tiền khuếch đại là: + Tạp âm do bản thân mạch tiền khuếch đại phát ra phải được giữ ở mức càng thấp càng tốt. Tạp âm tiền khuếch đại thường ám chỉ tới tạp âm nhiệt. + Cấu trúc của mạch. + Loại thiết bị linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch tiền khuếch đại chẳng hạn như các transistor lưỡng cực,JFET,MOSFET và MESFET. + Băng tần và hệ số khuếch đại. Các mạch tiền khuếch đại có trong các bộ thu thông tin quang sợi có thể được phân cấp thành 3 loại. Đó là loại trở kháng thấp, loại trở kháng cao và hỗ dẫn ngược. Mạch tiền khuếch đại có trở kháng thấp là loại cấu trúc ít phức tạp nhất, nhưng không thể thiết kế được bộ tiền khuếch đại tối ưu được. ở đây photodiode hoạt động với một bộ khuếch đại có trở kháng thấp (có thể ở 50 ôm).ở đây có thiên áp hoặc điện trở tải Rb được dùng để phối hợp với trở kháng bộ khuếch đại. Mặc dù các bộ khuếch đại trở kháng thấp có thể hoạt động ở băng tần lớn, nhưng nó không cho ra được một bộ thu quang có độ nhạy thu cao, bởi vì chỉ có một điện áp tín hiệu nhỏ có thể đi qua được trở kháng đầu vào bộ khuếch đại và điện trở Rb. Điều này đã hạn chế cự ly truyền dẫn. Các mạch tiền khuếch đại trở kháng cao đã cho phép giảm được nguồn tạp âm tới mức rất nhỏ. Để đạt được điều này,người ta làm giảm điện dung đầu vào thông qua việc lựa chọn các thiết bị có điện dung thấp, tần số cao bằng cách lựa chọn bộ tách sóng với các dòng tối ưu nhỏ và nhờ việc làm giảm tạp âm nhiệt do các điện trở thiên áp gây ra. Tạp âm nhiệt có thể được giảm khi sử dụng các bộ khuếch đại trở kháng cao (như transistor lưỡng cực hoặc FET) kết hợp với điện trở thiên áp bộ tách sóng lớn Rb.Vì trở kháng cao sinh ra hằng số thời gian RC đầu vào lớn cho nên dải tần từ đầu đến cuối nhỏ hơn băng tần tín hiệu.Như vậy tín hiệu đầu vào được tổ hợp và cần phải thực hiện các kỹ thuật hiệu chỉnh để bù cho nó. ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb Cân bằng Photodiot PIN hoặc APD) Bộ khuếch đại và các tham số đầu vào của nó Photodiode và điện trở định thiên Rf Hình 4-10:Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược Mạch tiền khuếch đại hỗ dẫn ngược được thiết kế chủ yếu để khắc phục những hạn chế của mạch tiền khuếch đại trở kháng cao. Cấu trúc của mạch này sử dụng bộ khuếch đại trở kháng cao, tạp âm nhỏ, có điện trở hối tiếp âm Rf với dòng tạp âm nhiệt tương đương if (t) mắc phân dòng đầu vào như ở hình trên. Mạch khuếch đại có đầu vào mắc nối tiếp với nguồn tạp âm điện áp ea (t), mắc phân dòng với tạp âm dòng ia(t) và trở kháng đầu vào được cho bởi tổ hợp mắc song song Ra và Ca. Mục lục Trang lời nói đầu .............................................................................. 1 ChươngI: Tổng quan về hệ thống thông tin quang .......... 2 I. Giới thiệu về thông tin quang ................................ 2 1.Khái quát chung ..................................................... 2 2. Cấu trúc và các thành phần chính trong HTTTQ . 4 II. Sơ đồ tổng quát của HTTTQ ..................................... 6 1. Các chức năng của hệ thống thông tin quang ...... 6 2. Ưu nhươc điểm của hệ thống thông tin quang ...... 8 Chương II: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sơi quang 1.Bản chất của ánh sáng ......................................... 10 2.Nguyên lý truyền dẫn ánh sang .............................. 10 3.Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang ........ 11 a.Khẩu độ số NA ....................................................... 11 b.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) ...................... 12 c.Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI) ..................... 13 d.Sợi đa mode ............................................................ 14 e.Sợi đơn mode .......................................................... 15 4. Cấu trúc các loại sợi dẫn quang ............................ 15 5.Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang ..................... 17 a. Suy hao do hấp thụ ................................................ 20 b. Suy hao do tán xạ .................................................. 21 c. Suy hao do sợi bị uốn cong .................................... 23 Chương III: Cáp quang ................................................................... 24 1. Khái quát chung ............................................ 24 2. Các phần tử của cáp ....................................... 24 a. Lõi cáp ........................................................... 25 b. Thành phần gia cường .................................... 25 c. Vỏ cáp ............................................................. 26 3. Các loại cáp và ứng dụng ................................. 27 a. Cáp treo ........................................................... 27 b. Cáp treo trong cống ......................................... 28 c. Cáp trôn trực tiếp ............................................... 28 d. Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy ......................... 28 e. Cáp ngập nước và thả biển ................................. 28 Chương IV: Phần tử chuyển đổi điện quang- quang điện . I. Phần biến đổi điện quang .................................... 29 Các chức năng chung .......................................... 29 Điôt phát quang LED ........................................... 35 Điôt Laser ............................................................. 37 II. Phần biến đổi quang điện ................................... 40 Nguyên lý cơ bản của các bộ tách sóng quang .... 40 Bộ tách sóng photodiot PIN ................................. 41 Photodiot thác ...................................................... 44 Cấu hình bộ thu quang ........................................ 46 5. Các mạch khuyếch đại cuả bộ thu quang ................. 47