linh kiện biến đổi điện quang-quang điện

Cấu trúc hệ thống thông tin quang Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang nói chung tín hiệu điện từ máy điện thoại các thiết bị đầu cuối, số liệu fax đa đến đợ

tổng quan về thông tin quang

[[[[ơ

Chơng I

hệ thống thông tin sợi quang

I Hệ thống thông tin sợi quang

1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang nói chung

tín hiệu điện từ máy điện thoại các thiết bị đầu cuối, số liệu fax đa đến đợc

biến đổi sang tín hiệu quang, qua một bộ biến đổi điện - quang (E/O) (Các tín

hiệu điện “1” và “0” đợc biến đổi ra ánh sáng có dạng: “có” và “không”) và

sau đó đợc gửi vào cáp quang các tín hiệu truyền qua sợi quang công suất bị

giảm và dạng sóng (độ rộng xung) bị dãn ra Sau đó tới bộ biến đổi quang

-điện (E/O) tại đầu kia của sợi quang Tại bộ biến đổi quang - -điện, tín hiệu

quang thu đợc, đợc biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng tín

hiệu của máy điện thoại, số liệu fax đã gửi đi, tín hiệu sau khi đã đợc khôi

phục đợc truyền tới các thiết bị đầu cuối của chặng truyền dẫn

Bộ biến đổi quang E/O thức chất là linh kiện phát quang nh là Laser diode, và

bộ biến đổi quang điện O/E là photo diode Khi khoảng cách truyền dẫn lớn

cần thiết phải có các trạm lặp, các trạm này biến đổi tín hiệu quang thu đợc

thành tín hiệu quang

2 Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Vào những năm 1960 việc phát ra laser để làm nguồn quang, đã mở ra một thời

kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số

của ánh sáng Theo lý thuyết thì nó cho phép con ngời thực hiện thông tin với

lợng kênh rất lớn vợt gấp nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có Hàng loạt các

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin sợi quang

E O

PDH SDH

PDH SDH

E O

O E

E O

Hệ thống thông tin cáp sợi quang

Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang

<Tín hiệu quang >

Bộ biến

đổi điện quang

Bộ biến

đổi quang

điện

thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển, mặc dù đã thu đợc một số kết

quả, nhng những chi phí cho các công việc này là quá lớn Kinh phí chi cho

việc sản xuát các thành phần để vợt qua các cản trở do điều kiện thời tiết (ma,

sơng mù ) gây ra là rất tốn kém nên cha thu hút đợc sự chú ý của mạng lới

Một hớng nghiên cứu khác cùng thời gian này đã tạo đợc hệ thống thông tin có

độ tin cậy cao hơn thông tin qua khí quyển nói ở trên là sự phát minh ra sợi dẫn

quang Các sợi dẫn quang lần đầu tiên đợc chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn

khoảng 1.000dB/km Đã tạo ra một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt

hơn

Năm 1966 kao, Hock man, và Werts đã nhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn

quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây lên và nhận định

rằng có thể làm giảm suy hao của sợi và chắc chắn tồn tại một điểm nào đó

trong dải bớc sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ Những nhận định này đã

đợc sáng tỏ khi Kapron, Keck và Manver chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có

suy hao 20dB/Km vào năm 1970 - suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm

đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tơng đơng với các hệ thống

truyền dẫn bằng cáp đồng với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu,

các sợi quang có suy hao nhỏ lần lợt ra đời

Cho tới năm 1980 các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đợc phổ biến

khá rộng với vùng bớc sóng làm việc 1.300nm cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt

tới sự suy hao rất nhỏ, suy hao 0,154dB/Km tại bớc sóng 1.550nm, đã cho thấy

sự phát triển vợt bậc của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập kỷ qua giá trị

suy hao này đã gần đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mode là 0,14dB/

Km Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang

đã tạo ra hệ thống thông tin quang với nhiều u điểm trội hơn hẳn so với các hệ

thống thông tin cáp kim loại

II Truyền dẫn cơ bản

Sợi quang truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng chạy dọc theo các sợi trong suốt

theo một cách thức thể hiện các tín hiệu các tín hiệu thông tin đầu vào ánh

sáng điều chế đợc đa vào sợi quang để đa đi tại đầu kia bộ giải điều chế

quang nhận đợc ánh sáng giải điều chế đó, biến đổi nó trở về một tín hiệu

giống hệt tín hiệu ban đầu ra ở đầu kia của sợi quang

Hệ thống truyền dẫn sợi quang

O E

Kỹ thuật truyền dẫn ánh sáng có thể chia làm 3 loại:

 Điều chế số (digital): thực hiện các biến đổi tín hiệu số ở đầu vào thành một

chuỗi xung ánh sáng đợc mã hoá tơng tự theo kiểu “có” hoặc “không” (hình1.2a) kiểu điều chế này rất phù hợp với truyền dẫn các số liệu máy tính

 Điều chế tơng tự (analog): nh tiếng nói, âm nhac có chu kỳ và biên độ

thay đổi Điều chế tơng tự biến đổi tín hiệu này thấy một tín hiệu quang cócờng độ ánh sáng thay đổi một cách tơng tự nh tín hiệu điện đầu vào (hình1.2b)

 Điều chế kết hợp: Các tín hiệu tơng tự đợc biến đổi thành tín hiệu số Sử

dụng bộ biến đổi A/D trớc khi điều chế ánh sáng Tại đầu thu tín hiệu ánhsáng sẽ đợc biến đổi về tín hiệu số nhờ bộ gửi điều chế quang Sau đó qua

bộ D/A sẽ biến đổi tín hiệu này trở lại tín hiệu dang tơng tự đầu vào (hình1.2c)

Các kỹ thuật truyền dẫn này chỉ cho ta thấy việc truyền dẫn thông tin theo mộthớng trong thực tế các hệ thống đều yêu cầu truyền thông đồng thời hai chiều.Vì vậy một bộ gồm các thiết bị điều chế và giải điều chế giống hệt nh bộ thiết

bị dùng cho một hớng nh trên hình 1.2, nhằm tạo ra một hệ thống thông tin 2chiều với đầy đủ chức năng

III Đặc điểm của thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có một số u điểm sơ với các hệ thống sử dụng cáp

đồng cổ điển do sử dungj các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phátquang:

Sợi cáp quang có các đặc điểm chủ yếu sau:

 Suy hao thấp sơ với cáp song hành kim loại, hoặc cáp đồng trục Cho phépkéo dài cự ly các trạm tiếp vận

 Độ rông băng tần truyền dẫn rất lơn, làm cho dung lợng truyền dẫn củatuyến rất lớn

 Đờng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhẹ so với cáp đồng

 Đặc tính cách điện: bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp sợi quangkhông bị ảnh hởng của điện từ trờng bên ngoài điện cao thế, sóng vô tuyến

 Nguyên liệu chế tạo chủ yếu là thạch anh, nên so với kim loại, nguồnnguyên liệu này dồi dào hơn, và chỉ cần số lợng nhỏ đã sản xuất đợc đoạncáp quang dài do đó tiết kiệm đợc nhiều tài nguyên

Các linh kiện thu và phát quang có những u điểm sau:

 Có khả năng điều chế tốt độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tốc độ cao vàbăng rộng

 Kích thớc nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao

 Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khảnăng phát xạ công suất quang lớn, và độ nhạy máy thu cao, lên đảm bảochất lợng truyền dẫn

Do có những u điểm trên mà thông tin quang đợc áp dụng rộng rãi trên mạng ới:

l-+ Các tuyến đờng trục quốc gia

+ Các đờng trung kế+ Các tuyến cáp thả biển liên quốc gia

+ Đờng truyền số liệu

có các u điểm nh độ tin cậy cao và dễ bảo dỡng Vì sợi quang là một phơngtiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tợng pha đinh, chịu đợc độ ẩmkhắc nghiệt

Hệ thống thông tin quang có tính bảo mật cao vì sợi quang không thể bị trích

để lấy trộm thông tin bằng các phơng tiên thông thờng và rất khó lấy thông tin

ở tín hiệu quang Chúng còn có tính linh hoạt và tính mở rộng

Các nhợc điểm:

 Bộ biến đổi điện - quang: tín hiệu điện trớc khi đa vào quang phải đợc biễn

đổi thành sóng ánh sáng (có bớc sóng 850, 1300, 1550mm) việc biến đổinày đợc truyền trên sợi quang Tại đầu thu tín hiệu quang phải đợc biến đổitrở về tín hiệu ban đầu Chi phí sản xuất thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cầnphải xem xét trong tất cả các ứng dụng

 Đờng truyền thẳng: cáp quang cần có đờng đi thẳng

 Yêu cầu lắp đặt đặc biệt vì cấu tạo của sợi quang chủ yếu bằng thuỷ tinhsilic, nên yêu cầu phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặtcác tuyến cáp quang.

 Sửa chữa hàn nối phức tạp phải cần có kỹ thuật cao và thiết bị phù hợp

Chơng II

Lý thuyết chung về sợi quang

I Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

với pháp tuyến p một góc khúc xạ  Theo định luật khúc xạ ta có quan hệ củagóc  và  các chiết suất n1 và n2 tuân theo phơng trình:

 Nếu n1 < n2 thì  > : tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến

 Nếu n1 > n2 thì  < : tia khúc xạ gẫy về phía xa pháp tuyến

 Trờng hợp n1 > n2 nếu tăng  thì  tăng theo và  luôn lớn hơn  khi

xạ, hiện tợng này gọi là phản xạ toàn phần

Dựa vào định luật khúc xạ (công thức snell) với  = 900 ta tính đợc góc tới hạn

ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm 1 lõi (core)bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và lớp bọc (clading) bằng thuỷ tinh có suất n2 và

n1 > n2 ánh sáng trong lõi sợi quang sẽ đợc phản xạ toàn phần trên mặt tiếpgiáp giữa lõi và lớp bọc Do đó ánh sáng có thể truyền đợc trong sợi với cự lydài

2 Khẩu độ số (Nunmerical Aperture)

Sự phản xạ toàn phần trong lợi quang chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc

Tại điểm A đối với tia 2: áp dụng công thức Snell:

n0sinmax = n1s(900 = c)

1.sinmax = n1 sinc = n1

1 2

2 2

2 1

n n n

2 2

2 1

n n n

2

0c=900

23

32

max

1

Hình 2.3- Đ ờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau

A

Từ công thức tính sinmax= 2

1 2

2 n

n  ta thấy giá trị cực đại max đợc gọi là góc

đón ánh sáng của sợi quang: góc này chỉ phụ thuộc vào chiết suất giữa lớp lõi

Khi sợi quang mà có nhiều tia sáng có các góc khác nhau đi qua do vậy chúng

đợc gọi là sợi quang đa mode (MM) Multi - Mode

Sợi quang đa mode có chiết suất bậc (SI):

Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau

rõ rệt nh hình bậc thang

Khi tia sáng đi vào lõi của sợi quang theo một góc nào đó thì nó sẽ đợc lantruyền trong lõi theo phơng thức phản xạ toàn phần (hình 2.4a) các tia sángtruyền trong lõi sợi có cùng vận tốc mà chiều dài đờng truyền khác nhau nênthời gian truyền sẽ khác nhau, trên cùng chiều dài sợi Điều này dẫn đến hiện t-ợng: khi đa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi thì lại nhận đợc xung ánh sángrộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tợng tán sắc do đó độ tán sắc lớn nên sợi đamode có chiết suất bậc không thể truyền tín hiệu có tốc độ cao qua cự ly dài đ-

ợc Đây là nhợc điểm mà ta có thể khắc phục trong loại sợi có chiết suất giảmdần

Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần (GI):

Để giảm độ sai lệch về thời gian của loại sợi đa mode chỉ số chiết suất bậc loạisợi đa mode chiết suất giảm dần có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có

độ khúc xạ nhỏ hơn về phía lớp bọc sợi quang Điều này có nghĩa là sự phân bố

hệ số kúc xạ có hình chuông Khi đó các tia sang đi thẳng trong sợi, do có hệ

số khúc xạ lớn nhất nên vân tốc lan truyền là nhỏ nhất, vì vận tốc ánh sáng lantruyền phụ thuộc vào hệ số chiết suất: V = c/n

Những tia sáng bị uốn cong ra phía vỏ có hệ số chiết suất nhỏ hơn nên vận tốclớn hơn Nh vậy đã làm giảm thời gian trễ giữa các tia Vì vậy có thể truyềnmột lợng thông tin (MHz-km) gấp nhiều lần so với loại sợi đa mode chiết suấtbậc.

Sợi có đờng kính lõi 50m và đờng kính có 125m (50/125) và NA nhỏ (0,18

đến 0,24) loại này đã đợc sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông và đợcCCITT tiêu chuẩn hoá

Sợi đơn mode(SM):

Khi đờng kính lõi giảm xuống và độ sai lệch về hệ số khúc xạ giữa lớp lõi và

lớp bọc giảm đi nh hình 2.4.c thì chỉ còn các tia sáng thẳng mới có thể lantruyền đợc đây chính là sợi quang đơn mode Ưu điểm của sợi đơn mode làbăng tần lớn hơn do không có tán sắc mode Nhân tố ảnh hởng chủ yếu đếnbăng tần của sợi đơn mode là tán sắc thể tán sắc này có giá trị 0 tại vùng lâncận của bớc sóng 1,3m Vì vậy khi các nguồn quang phát ra xung ánh sang

 tại một nửa biên độ hẹp thì độ rộng băng tần tổng của sợi đơn mode lớn gấp

3 lần trở lên so với bề rộng băng tần của sợi đa mode Graded Sợi đơn mode có

đờng kính lõi là 9-10m đờng kính vỏ 125m và NA khoảng 0,11 đã đợcCCITT chuẩn hoá

II Các đặc tính của sợi quang

Các đặc tính của sợi quang cần quan tâm cho ứng dụng viễn thông có thể chialàm hai lĩnh vực: các đặc tính vật lý và các đặc tính truyền dẫn, các đặc tínhtruyền dẫn gần suy hao, tán sắc, bớc sóng cắt Còn các đặc tính vật lý gồm mặtcắt khúc xạ, kích thớc, lực căng

1 Suy hao của sợi quang

Suy hao trong sợi quang là một trong những thông số quan trọng của đờngtruyền dẫn Để xác định tốc độ truyền dẫn và khoảng cách lập trạm lặp của hệthống thông tin sợi quang, có hai tham số phải nghiên cứu đó là suy hao quang

và độ rộng băng tần truyền dẫn Độ suy hao quang để xác định suy hao côngsuất ánh sáng lan truyền trong sợi quang Nếu suy hao nhỏ hơn thì cho phépkhoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn

Suy hao quang có thể tạm chia thành hai loại, thứ nhất là suy hao thuần tuý sợiquang, thứ hai là suy hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống Bao gồm suyhoa hấp thụ, suy hao tán xạ Rayleight suy hoa tán sắc do không đồng nhất cấutrúc Suy hao trong quá trình vận hành mạng bao gồm suy hao uốn cong, suy

hoa hàn nối và suy hao ghép nối của cáp sợi quang và các linh kiện thu và phátquang

Độ suy hao của sợi đợc tính:

A(dB)=10lg

2

1

P P

Trong đó P1=P(0) công suất đa vào đầu sợi

P2=P(L) công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

) (

) ( ) / (

km L

dB A km

dB 





a Suy hao do hấp thụ

Sự hâp sthụ ánh sáng do các yếu tố nh: cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợiquang silic dĩoyt không hoàn chỉnh, các nguyên tử của vật liệu không tinhkhiết (hấp thụ) và các nguyên tử tạo nên vật liệu sợi quang (tự hấp thụ) Suyhao do cấu trúc nguyên tử có khuyết tật gây ra có thể bỏ qua, nhng sự khôngtinh khiết của sợi quang là nguyên nhân chủ yếu của suy hao do các tạp chấtkim loại nh đồng (Cu), sắt (Fe), cacbon (CO) và độ ẩm

Độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao sợi quang Sự có mặt củacác ion OH trong sợi quang cũng tạo ra độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt

độ hấp thụ tăng vọt ở các bớc sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm

Sự hấp thụ do vật liệu là do dao động của các tia hồng ngoại và tia cực tím gây

ra, nó không thành vấn đề tại bớc sóng gữa 0,8m và 1,7m

b Suy hao do tán xạ.

Tán xạ Rayleight là 1 hiện tợng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hớng khácnhau khi nó gặp phải ọt vật nhỏ có kích thớc không quá lớn so với bớc sóngcủa ánh sáng

Tiêu hao tán xạ Rayleight xuất hiện do ảnh hởng của các chỗ không đồng nhấtcòn sót lại trong giai đoạn làm nguội sợi, trong quá trình nóng chẩy thuỷ tinh

để kéo thành sợi ảnh hởng của nó phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệuchế tạo sợi Kích thớc các chỗ không đồng nhất nhỏ hơn bớc sóng ánh sángvùng hồng ngoại Độ suy hao của tán xạ rayleight giảm nhanh về phía có bớcsóng dài nó có ảnh hởng đáng kể ở bóc sóng nhỏ Ngoài ra mặt phân cách giữalớp bọc và lớp lõi không hoàn hảo cũng gây ra tán xạ

c Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất

Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tởng và cấutrúc hình trục đều dọc suốt vỏ và lõi sợi Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ sợi đổichỗ có sự gồ ghề và nhẵn Những chỗ gồ ghề nh vậy trên bề mặt biên gây lên

ánh sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài Những chỗ không

bằng phẳng này gây nên suy hao quang nó làm tăng suy hao quang Bởi vì cócác phản xạ bất bình thờng đối với ánh sáng lan truy Loại suy hao này ngời tagọi chúng là suy hao do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang.

d Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong

Các suy hao bức xạ gây lên do bị uốn cong các suy hao sinh ra khi sợi bị uốncong với một sợi quang bị uốn cong, các tia ánh sáng có các góc tới vợt quágóc giới hạn bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao Bởi vậy trong việc thiết kếtuyến thông tin sợi quang phải chú ý đến việc giữ bán kính cong lớn

e Suy hao vi cong

Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bịuốn cong đi 1 lợng nhỏ, làm tăng suy hao sợi quang Suy hao này gọi là suyhao cong vi lợng Do đó khi sản xuất ngời ta chú ý để cấu trúc sợi có bảo vệchống các áp lực tác động từ bên ngoài

g Suy hao do hàn nối

Nếu lõi của hai sợi không gắn đợc với nhau thật hoàn hảo và đồng nhất thì mộtphần của ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn và bị phátxạ ra ngoài gây nên suy hao Nguyên nhân chính của suy hao này là việckhông dòng đồng trục hai sợi trên hình 2.5 do vậy tạo nên suy hao rất lớn Nếu

có 1 khe nhỏ tồn tại tại chỗ nối thì chính khe này tạo nên suy hao phản xạ

h Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu, phát quang

Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác

định bằng khẩu độ số NA, khi ghép nối vào sợi quang thì Laser có các đặc

điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung chùm sáng

i Đặc tuyến suy hao

Với mong muốn suy hao càng thấp càng tốt, hiện nay đã chế tạo đợc loại sợiquang mà đặc tuyến suy hao của nó gồm ba bớc sóng có suy hao thấp (gọi là 3cửa sổ suy hao)

+ Cửa sổ thứ nhất ở bớc sóng 850nm với mức suy hao trung bình ở bớc sóngnày từ 2 ->3dB/km Độ suy hao này cha phải là thấp nên ngày nay bớc sóng850nm ít đợc dùng.

+ Cửa sổ thứ hai 1300nm: suy hao ở bớc sóng này bé hơn nhiều so với suy hao

ở bớc sóng 850nm Độ suy hao đạt từ 0,4->0,5dB/km Cộng thêm độ tán sắc rấtthấp nên bớc sóng này đợc sử dụng rộng rãi

+ Cửa sổ thứ ba ở bớc sóng 1550nm: cho đến nay bớc sóng này có suy hao thấp

có thể đến 0,2dB/km Nhng với sợi quang này có độ tán sắc cao hơn so với bớcsóng 1300nm Tuy nhiên nhợc điểm này đã đợc khắc phục vì hiện nay có loạisợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt làm giảm tán sắc ở bớc sóng1500nm

2.Tán sắc trong sợi quang

Tán xạ có ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn nh sau:

1990

 (nm)0,25

0,41,02,05

Hình 2 6- Các đặc tính suy hao theo b ớc sóng của sợi quang

 Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng xung

Thời gian truyền chênh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất đợc tính nh sau:

Tia 1: tia dài nhất có độ dài d1=L/cos1

Tia 2: tia ngắn nhất có độ dài d2=L

+ Thời gian truyền của tia 1:

1

1 1

cos /

n C

L V

L V

D

1

1 2 2

2

1 2 1

1 2

2 1 2 1

n

n n n

L C

Ln Cn

Ln t t

Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi chính là độ trải xung do tán sắc mode:

Ví dụ: Với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) có n1=1,458 và D=1% độ tán sắc modelà:

Đối với sợi chiết suất giảm dần (GI) độ trải xung do tán sắc mode nhỏ hơn sovới sợi có chiết suất nhẩy bậc (SI):

Độ dải xung quan mỗi km sợi hay độ tán sắc mode:

Ví dụ: sợi GI với n1=1,458 và =1% có độ tán sắc mode là:

a Tán sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bớc sóng, nên vân tốc truyền của ánhsáng có bớc sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gây nên tánsắc chất liệu tán sắc chất liệu đợc xác định:

km ns km

d s

km L

t

d 0 , 01 48 , 6 10 / 48 , 6 /

/ 10 3

458 ,

C

n L

t

d e

8

2 1

km s s

km L

L

8

01 , 0 / 15 3

458 ,

5 mod

Trong đó: : là bớc sóng

C: là vận tốc ánh sáng trong chân không

n(): là chiết suất của lõi sợi

Tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm Bề rộng phổnguồn quang mỗi km sợi quang Đơn vị của tán sắc chất liệu M(ps/nm.km)

ở bớc sóng 850nm thì M khoảng 90->120ps/nm.km nếu sử dụng nguồn quang

là LED có bề rộng phổ = 50nm thì độ rộng xugn khi truyền qua mỗi km là:

b Tán sắc ống dẫn sóng

Với các bớc sóng khac nhau gây ra sự phân bố năng lợng trong sợi quang làkhác nhau Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫnsóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode

1612840-4-8-12-16

1200 1300 1400 1600 (NM)

wg ) tán sắc thể (d

chv ) thay đổi theo b ớc sóng

D

wg

c Độ tán sắc tổng cộng

Độ tán sắc tổng cộng đợc tính theo công thức:

Trong đó:

Dt: độ tán sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode)

Dmat: độ tán sắc chất liệu-Dwaterial

d Dải thông sợi quang

Dải thông BSC là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50% Nóimột cách tổng quát dải thông sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng:

dụng

Vì tán sắc phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng nên dải thông cũng thay đổitheo bớc sóng

III Cấu trúc cáp sợi quang

Sợi quang đợc phân chia thành 4 nhóm dựa trên vật liệu cấu tạo chung:

 Sợi silica (SiO2) silica fibers

 Sợi hợp chất thuỷ tinh (Multi - component glass fibers)

 Sợi có lớp bọc bằng plastic - clad fibers)

 Sợi plastic (plastic fbers)

Hầu hết các sợi dùng trong viễn thông là sợi silica

lớp bọc

lõi

2 2 mod chr

t

D 0,44

B 

1 Cấu trúc sợi quang

Thành phần chính của sợi quang gồm lõi 9 (core) và lớp bọc (cladding) Trongviễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh Lõi để ánh sáng vàlớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi

 Giảm ảnh hởng của vi uốn cong

Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia truyềntrong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xẩy ra trên mặt giaotiếp giữa lớp bọc và lớp phủ Ví dụ: lõi có n1 = 1,48 lớp bọc có n2 = 1,46, lớpphủ có 1,52 Lớp phủ có thể nhuộm màu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi sợicần ghép ánh sáng nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ thông thờng đờng kính củalớp phải là 250 m và sợi có lớp bọc là 125m

1.2 Lớp vỏ (secondary coating)

Lớp vỏ có tác dụng tăng cờng sức chịu đựng của sợi quang trớc các tác dụng cơhọc và nhiệt độ, có các lớp vỏ sau:

Dạng ống đệm lỏng: ống đệm lỏng thờng có hai lớp: lớp trong có hệ số ma sát

nhỏ để sợi quang di chuyển tự do trong đó khi cáp bị kéo căng hay co lại - lớpngoài che chở sợi quang trớc ảnh hởng của lực cơ học Đờng kính ống đệm lớnhơn đờng kính của sợi quang

Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm lỏng không cần chất nhồi, nhngvới cáp ngoài trời thì bơm thêm chất nhồi trong ống đệm Chất nhồi có các tínhchất sau:

(

Lớp bọc(cladding)

Lõi (core)

0.9nm nnm

+ Có tác dụng ngăn ẩm

+ Có tính nhớt, không tác dụng hoá học với các thành phần khác củ cáp.+ Không đông đặc nóng chảy trong nhiệt độ làm việc

+ Dễ tẩy sạch khi hàn nối và khi cháy

ống đệm lỏng cũng đợc nhuộm mầu để đánh dấu ống đệm lỏng có nhiều u

điểm nên đợc dùng trong các đờng truyền dẫn chất lợng cao và trong điều kiệnmôi trờng thay đổi nhiều

Dạng đệm khít: Để bảo vệ sợi quang dới tác dụng của các điều kiện bên ngoài

là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp phủ Phơng pháp này làm giảm đợc kích thớc vàtrọng lợng của cáp Nhng sợi quang bị ảnh hởng trực tiếp của lực kéo căng Đểgiảm sự ảnh hởng này ngời ta thêm một lớp đệm mền giữa lớp phủ và lớp vỏ.Hình thức này đợc gọi là cấu trúc đệm tổng hợp (Coposite buffer)

1.3 Cấu trúc tổng quát của cáp sợi quang

Sợi quang: các sợi quang đã đợc bọc lớp phủ và lớp vỏ xắp xếp theo một thứ tự

nhất định Lớp vỏ có thể là dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp hay băngdẹp

Thành phần chịu lực: bao gồm phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực

Vỏ cápThành phần chịu lực ngoàiLớp đệm nhựa ( PE )Băng quấn ( plastic )Thành phần chịu lực trung tâmống đệm lỏng

Sợi quang

Lớp gia cờng: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt.

2 Phân loại cáp sợi quang

Có nhiều thành phần loại cáp sợi quang

Phân loại theo chỉ số chiết suất:

 Sợi có chiết suất bậc

 Sợi có chiết suất thay đổi

Phân loại theo mode:

 Sợi đa mode

 Sợi đơn mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu:

 Sợi thuỷ tinh

 Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo

Phân loại theo hình thức cấu tạo:

 Cáp có cấu trúc ống

 Cáp có cấu trúc băng dẹp

Phân loại theo lĩnh vực sử dụng:

 Cáp ngoài trời: gồm cáp treo, cáp chôn trực tiếp hoặc cáp kéo trong ống

 Cáp trong nhà dùng làm cáp phân phối, dây nhẩy

 Cáp đặc biệt: cáp thả biển, cáp dùng cho điện lực, trong máy bay

3 Hàn nối cáp sợi quang

Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phơng tiện chuyên chở, phơng pháp lắp

đặt nên chiều dài của các cuộn cáp nói chung có hạn Khoảng cách giữa haitrạm thông tin quang thờng dài hơn chiều dài của cuộn cáp nên cần phải nốicác sợi giữa hai cuộn cáp với nhau Ngoài ra ở mỗi trạm thông tin quang, sợiquang cần phải nối với các linh kiện phát và thu quang

3.1 Các yêu cầu chính của một mối nối

Suy hao hàn nối thấp và ổn định để gia tăng cự ly tối đa của các trạm lặp

Độ tin cậy cao: các hệ thống thông tin quang hiện nay hoạt động với dung lợnglớn Sự gián đoạn do bất kỳ mối nối nào gây nên cũng dẫn đến sự gián đoạnmột số lợng kệnh rất lớn

Kích thớc mối nối hoàn chỉnh gọn: yêu cầu này chỉ đặt ra đối với việc hàn nốicác sợi cáp chứa nhiều sợi quang (hàng trăm sợi)

Cuối cùng giá thành hàn nối càng thấp càng tốt, yêu cầu này phụ thuộc vào kỹthuật hàn nối

3.2 Các yếu tố ảnh hởng đến suy hao mối nối

Chất lợng mặt cắt đàu sợi quang

Vị trí tơng đối giữa hai đầu sợi quang

Thông số của hai sợi

3.3 Các phơng pháp han nối sợi quang

Các sợi quang có thể đợc nối với nhau, và mỗi hình thức Hàn nối có đặc điểmcủa nó và đợc sử dụng trong các điều kiện thích hợp Có các hình thức hàn nốisau:

Hàn kết dính: thực hiện bằng nhân công nên suy hao cao và chỉ dùng với sơi đa mode, ngày nay ít đợc dùng.Hàn bằng ống nối đàn hồi: Hàn bằng phơng pháp

này độ suy hao không cao, nhng kém ổn định suy hao mối nối vào khoảng0,25dB đối với sợi đa mode, và 0,5dB đối với sợi đơn mode Thời gian thựchiện mối nối theo phơng pháp này rất nhanh nên đợc dùng để nối sợi tạm thời,khi sửa chữa khẩn cấp, hoặc dùng để nối giữa dây đo thiết bị đo đối với sợiquang có đầu cuốn để hở

Phơng pháp hàn nóng chảy: Chất lợng của mối hàn nóng chảy phân lớp do

máy hàn quyết định, độ suy hao của mối hàn rất thấp và ổn định Với sợi đamode suy hao mối hàn trung bình là 0,03dB, sợi đơn mode là 0,06dB Loại nàyphù hợp với các loại cáp có cấu trúc băng hẹp

Phơng pháp khớp nối (connector): Khớp nối là một mối nối sợi quang, có thể

tháo lắp nhiều lần Độ suy hao lớn, giá thành cao hơn vì các thực hiện phác tạphơn Tuy vậy vẫn không thể dùng mối hàn cố định để thay thế khớp nối nơigiao tiếp giữa sợi quang và các thiét bị đầu cuối quang hoặc giữa sợi quang bênngoài với sợi quang trong trạm nên ta phải dùng phơng pháp khớp nối(connector)

Chơng III

Linh kiện biến đổi điện quang - quang điện

 Linh kiện biến đổi quang điện, điện quang đợc đặt ở 2 đầu sợi quang Cóhai loại linh kiện biến đổi là:

 Linh kiện biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, đợc gọi là nguồnquang, phát ra ánh sáng trong vùng tia hồng ngoại có  = 800 đến 1600nm

 ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

 Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi là linh kiện táchsóng quang (linh kiện thu quang) Linh kiện này có nhiệm vụ ngợc lại sovới nguồn quang, tức là tạo ra dòng điện có cờng độ tỷ lệ với công suấtquang chiếu vào nó

I Nguyên lý biến đổi

1 Khái niệm về bán dẫn

Bán dẫn thuần: Bán dẫn cha bị pha tạp gọi là bán dẫn thuần, ví dụ Ge, Si các

chất bán dẫn này có cấu trúc năng lợng nh hình ở nhiệt độ thấp bán đẫn khôngdẫn điện (chất điện môi)Khi nhiệt độ tăng thì bán dẫn trỏ thành chất dẫn điện.Khi đó các điện tử vùng hoá trị vợt qua vùng cấm đi vào vùng dẫn Để lại trongvùng hoá trị các lỗ trống

Bán dẫn tạp: Nếu pha trộn nhiều bán dẫn thuần với nhau sẽ đợc một bán dẫn

tạp, nếu khi pha trộn nhận đợc bán dẫn tạp có nồng độ

Các điện tử lơn hơn nồng độ các lỗ trống thì gọi là bán dẫn n Ngợc lại nếunồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử gọi là bán dẫn p

2 Nguyên lý biến đổi

Thông thờng các điện tử tập trung phần lớp ở vùng hoá trị có mức năng lợngthấp Khi ta cung cấp cho các điện tử đó một mức năng lợng bằng với mức

dẫn Nh vậy một photon (có năng lợng thích hợp ) Bức xạ vào chất bán dẫn sẽ

Vùng dẫnVùng cấmVùng hoá trị

tạo ra một điện tử và một lỗ trống còn photon biến mất hiện tợng này gọi là sựhấp thụ, đợc ứng dụng trong photon diode để làm các linh kiện tách sóngquang.

Nếu trong vùng dẫn có số điện tử nhiều hơn mức cân bằng, thì điện tử thừa sẽrơi xuống vùng hoá trị một cách tự phát để kết hợp với lỗ trống, trong quá trìnhchuyển từ mức năng lợng cao xuống mức năng lợng thấp, năng lợng chênh lệch

đợc bức xạ ra dới năng lợng thấp, năng lợng chênh lệch đợc bức xạ dới dạngphoton Hiện tợng xảy ra sự phát xạ tự phát, đợc ứng dụng trong diode phátquang (LED) dùng làm nguồn quang

Khi các photon đợc phát ra do quá trình tái hợp điện tử và lỗ trống lại kíchthích các điện tử đang ở mức năng lợng cao chuyển xuống mức năng lợng thấp

và phát ra photon mới Quá trình cứ tiếp diễn và số lợng photon phát ra rất lớn.Hiện tợng này đợc ứng dụng trong quá trình phát xạ tự kích có cùng bớc sóng

và cùng pha

II Linh kiện phát quang

1 Nguyên lý chung

Có hai loại linh kiện đợc dùng làm nguồn quang hiện nay là:

 Diode phát quang LED (light emiting diode)

 Diode laser LD

Cả hai linh kiện này đều phát triển từ tiếp giáp của bán dẫn p và bán dẫn n.Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phát ra phụ thuộc vật liệu chế tạo ranguồn quang

Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lợng Eg khác nhau Eg sẽ quyết định

E

v 

hVE

Eg 

Eg

1,24 Eg

hc







Với c=300.000km/s vận tốc ánh sáng trong chân không

Eg: Bề rộng khe năng lợng đơn vị là eVV: tần số ánh sáng phát ra, đơn vị là Hz

: Bớc sóng ánh sáng phát ra, đơn vị m

2 Các yêu cầu kỹ thuật của nguồn phát quang

Bớc sóng phát ra: phải phù hợp với các bớc sóng thông dụng 850nm, 1300nm,

1550nm

Công suất phát: công suất phát càng lớn thì cự ly thông tin càng đợc xa.

Độ rộng phổ ánh sáng: nguồn quang phát ra là 1 khoảng bớc sóng Nếu

khoảng bớc sóng càng lớn thì độ tán sắc chất liệu càng lớn làm hạn chế dảithông của tuyến truyền dẫn quang Vậy độ rộng phổ nguồn phát quang cànghẹp càng tốt

Góc phóng ánh sáng: càng nhỏ càng tốt

Độ ổn định: yêu cầu công suất quang đợc phát ra phải ổn định để đảm bảo độ

trung thực của tin tức

Thời gian chuyển lên: là thời gian chuyển trạng thái nguồn quang càng nhanh

để có thể truyền đợc tín hiệu có tốc độ cao

Thời gian sử dụng nguồn quang: dài

Giá thành hạ

3 Diode phát quang LED (light emiting diode)

Diode phát quang LED là một loại nguồn phát quang dùng rất phù hợp cho các

hệ thống thông tin quang, có tốc độ bình thờng không quá 200Mbit/s Sử dụngsợi đa mode để có thể sử dụng tốt LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian

đáp ứng nhanh và hiệu suất lợng tử cao Có hai kiểu cấu trúc LED đợc sử dụngrộng rãi

p - GaAs

n - GaAlAs

p- - GaAlAs

p + - GaAs Chất điện môi Lớp kim loại toả nhiệt

Lớp tiếp xúc Lớp hoạt tính

Lớp hạn chế

Lớp hạn chế

50m

Hình 3.3 LED phát xạ có b ớc sóng 0,85 m

Lớp hoạt tính p-GaAs là một vòng tròn nhỏ có đờng kính 50m nằm ởphía trên và phía dới của lớp hoạt tính là lớp hạn chế n-AlGaAs có độ rộng giảicấm lớn, lớp túc xúc n là vật liệu làm nền n-GaAs Còn lớp tiếp xúc về phía p làp- GaAs có độ rộng vùng cấm bé, lớp nền n-GaAs trong vùng đặt sợi quang códạng lõm để giảm bề dầy vật liệu hấp thụ ánh sáng phóng vào lõi sợi.

b Cấu trúc của LED phát xạ cạnh

LED phát xạ cạnh có cấu tạo khác với LED thông thờng Các điện cực bằngkim loại phủ kín mặt trên và đáy của LED Do đó ánh sáng không thể phát rahai mặt đợc, mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp Lớp tính cực rấtmỏng có chiết suất lớn bị kẹp giữa hai lớp p và n có chiết suất nhỏ hơn ánhsáng đợc phát ra ở cả hai đầu và một trong hai đầu đợc nối với sợi quang

Cấu trúc này có u điểm và vùng phát sóng hẹp, và góc ánh sáng nhỏ nên hiệusuất ghép ánh sáng và sợi quang cao Tuy nhiên hạn chế là khi hoạt động nhiệt

độ LED tăng khá cao, nên đòi hỏi phải giải nhiệt

Các đặc tính kỹ thuật của LED

 Thông số điện:

Dòng điện hoạt động tiêu biểu từ 50 mA đến 300 mA

Điện áp sụt trên LED từ 1,5 V đến 2,5 V

 Công suất phát quang

Là công suất tổng cộng mà nguồn phát quang phát ra Công suất phát của LED

từ 1 đến 3 mW Đối với loại phát sáng cao công suất có thể lên tới 10mW

n – GaAs ( Lớp nền)

Lớp tiếp xúcLớp hạn chếLớp hoạt tínhLớp hạn chếLớp tiếp xúc

Các LED phát xạ mặt có công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa với cùng kíchthích Nhng không có nghĩa là sợi quang nhận đợc công suất quang từ LEDphát xạ mặt cao hơn so với phát xạ cạnh.

 Góc phát quang

Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở trục phát quang vàgiảm dần theo góc hợp và trục Góc phát quang đợc xác định ở mức công suấtquang giảm một nửa so với mức cực đại

 Hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang là tỷ số giữa công suất quang ghép vào sợi quang vàcông suất quang tổng cộng của nguồn quang Hiệu suất ghép phụ thuộc vàokích thớc vùng phát quang góc phát quang của nguồn, góc thu nhận (NA) củasợi quang và vị trí đặt nguồn quang

Hiệu suất của LED phát xạ mặt khoảng 1 đến 5% của LED phát xạ cạnhkhoảng 5 đến 15 Tuy công suất phát của LED phát xạ mặt lớn hơn, nhng côngsuất ghép đợc với sợi quang của LED phát xạ cạnh lớn hơn (thờng bằng 2 lần)

 Độ rộng phổ

105

0 10 20 30 40 50 I(mA)

LED phát xạ mặt

LED phát xạ cạnh

P(mw)

Hình 3.5- Công suất phát của LED

công suất

góc phát

Nguồn quang phát ra có công suất cực đại ở bớc sóng trung tâm và giảm dần vềhai phía Độ rộng phổ là bớc sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơnmột nửa mức công suất.

 Thời gian chuyển lên

Là khoảng thời gian để tăng công suất từ 10% đến 90% mức công suất ổn địnhthì có xung dòng điện kích thích nguồn quang Muốn điều chế tốc độ cao thìnguồn quang phải có thời gian chuyển lên càng nhanh

 ảnh hởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ môi trờng tăng thì công suất phát quang của LED giảm Tuynhiên mức độ ảnh hởng không cao

4 Laser diode

4.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý xạ kích thích Laser thông thờng đợccấu tạo từ 3 lớp (hình 3.8) dao động laser xảy ra ở vùng kẹp giữa của tinh thểbán dẫn p và n gọi là lớp tích cực (lớp hoạt chất) Laser có mặt phản xạ ở hai

đầu lớp tích cực sẽ đóng vai trò nh một hốc cộng hởng quang Phần ánh sángphát ra theo chiều dọc hốc cộng hởng sẽ đập vào mặt gơng phản xạ, một phầnthì thoát ra ngoài, phần còn lại sẽ bị phản xạ và chuyển động về hớng đối diệntrong quá trình di chuyển dọc theo hốc ánh sáng, kích thớc các điện tử kết hợpvới lỗ trống để tạo ra các photon mới

4.2 Các đặc tính kỹ thuật của LD

a Thông số định

+ Khi IbIng: LD làm việc trong chế độ LED

+ Khi IbIng: công suất tăng lên đột biến một cách tuyến tính (chế độ củaLD) Vậy với LD phải chọn IbIng

+ Điện áp sụt của laser từ 1,5 V đến 2,5 V.

b Công suất phát

Từ 1 đến 10 mW, với laser đời mới có thể lên tới 50 mW

c Góc phát sáng

Góc phát sáng của laser nhỏ theo phơng ngang của lớp tích cực khoảng 5 đến

100 Còn theo phơng vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể lên tới 400

e Thời gian chuyển lên

Để đạt mức công suất quang từ 10% đến 90% thì thời gian cần thiết để xác lậpcủa laser rất nhanh thờng không quá 1 ngời sử dụng

f Độ phổ rộng

So với LED thì phổ phát xạ của laser rất hẹp khoảng 1 đến 4 nm, khi chế tạo

LD có phổ càng hẹp càng tốt vì sẽ giảm đợc tán sắc chất liệu khi sử dụng bớcsóng 1550 nm

LDLED

P(mw)

b(mA)

Hình 3.9 - Đặc tuyến phát quang của LED và LD

10,5

 ảnh hởng của nhiệt độ LD (laser):

Khi nhiệt độ tăng đặc tính P-I của LD dịch sang bên phải và giảm độ dốc Sự

thay đổi đặc tính P-I nh vậy làm giảm công suất phát của LD

 Các loại LD hay đợc sử dụng:

Laser FP (Fabay-Reset) có  tơng đối lớn 1 nm. 1 nm

Laser báo hiệu(Buried hetero structure) có cấu trúc dị thể, có  nhỏ khoảng0,1 nm Đợc dùng cho tuyến có cự ly trung bình khoảng 40 km

Laser DFB (Distriquted Fêd Back) có 0,1nm đợc dùng cho cự ly đờngtruyền xa khoảng 80km

5 Mạch phát quang dùng laser

Giao tiếp điện: Là các điện cực để nối với các mạch điện bên ngoài, nơi nhận

tín hiệu điện

Giao tiếp quang: có thể là một sợi quang ngắn để hở, hoặc một khớp nối giữa

sợi quang với modul laser

Mạch kích thích: mạch điện cung cấp dòng điện kích thích cho nguồn quang

Mạch xử lý tín hiệu điện: biến đổi tín hiệu điện sang dạng thích hợp để đa vàomạch kích thích

Sợi quang

Thăm dò quang

Mạch thăm dò quang: thực chất là mạch ổn định dòng công suất Công suất

đ-ợc ổn định do một phần tín hiệu quang đổi ra dạng điền hồi tiếp đa về mạchkích thích

Mạch điều khiển và thăm dò nhiệt độ: do laser dễ bị ảnh hởng của nhiệt độ nênphải dùng mạch này để ổn định nhiệt độ ổn định công suất phát

III Linh kiện thu quang (tách sóng quang)

ở đầu cuối của các hệ thống truyền dẫn, các máy thu có nhiệm vụ chuyển đổitín hiệu quang điều biến từ cáp quang đa tới thành tín hiệu ban đầu để đa vàothiết bị ghép kênh đầu cuối Ngoài ra trên đờng truyền dẫn, tại các trạm lặpcũng cha có khả năng khuyếch đại quang Cũng nh trong máy thu, tín hiệuquang trớc tiên đợc chuyển thành tín hiệu điện để tái sinh, tức là đợc khuếch

đại và tái tạo cung nhị phân, để lại đa vào điều khiển LD hoặc LED cho pháttiếp tín hiệu quang Phần tử ở phía trớc máy thu để thực hiện chức năng này làbiến đổi quang điện, còn gọ là bộ thu quang

Các yêu cầu kỹ thuật đổi với các linh kiện thu quang:

 Phải nhậy với bớc sóng hoạt động của hệ thống (850nm, 1300nm, 1550nm)

là một cặp điện tử và lỗ trống Thông thờng <1 và đợc tính theo % Trong ờng hợp có hiệu ứng nhân một photon đợc hấp thụ, có thể làm phát sinh nhiều

tr-điện tử, mỗi vật liệu bán dẫn chỉ nhậy trong một khoảng bớc sóng nhất định vìhiệu suất lợng tử của từng vật liệu thay đổi theo bớc sóng ánh sáng

 Đáp ứng: đáp ứng của một linh kiện tách quang là tỷ số của dòng điện sinh

ra và công suất quang đa vào

R: đáp ứng

Iph: dòng quang điện

Popt: công suất quang

R phụ thuộc vào hiệu suất lợng tử của vật liệu và bớc sóng hoạt động theo côngthức:

R: đáp ứng đơn vị A/W

: hiệu suất lợng tử

: bớc sóng ánh sáng (m)e: điện tích của điện tử, e=1,6.10-19 hay Ash: là hằng số plank, h=6,62.10-34J.s

C: vận tốc ánh sáng, C=3.108 m/s

 Độ nhậy: có độ nhạy càng cao càng tốt Tức là có khả năng tính đợc các tínhiệu quang thật nhỏ Với tỷ lệ lỗi (BER) trong phạm vi cho phép Độ nhậycàng cao, càng có khả năng nới rộng cự ly thông tin

 Đáp ứng nhanh để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ Bit cao

 Dòng tối nhỏ: khi cha có ánh sáng chiếu vào những linh kiện tách quangvẫn có dòng điện nhiễu chạy qua Dòng điện này càng nhỏ càng tốt

 Tạp âm: có tạp âm càng thấp càng tốt để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm(S/N)

 Độ tin cậy cao

W A

R( / ) e  (  )





1 PIN diode

a Cấu trúc

Bán dẫn nBán dẫn thuần iDiode quang luôn đợc phân cực ngợc có điện áp:

E=15V+30V-DC

Rt là trở kháng vào của tầng tiền khuyếch đại

b Nguyên lý

Khi ánh sáng chiếu vào diode tách quang các lớp bán dẫn hấp thụ năng lợng

ánh sáng Các hạt điện tử trong vùng hoá trị kích thích vợt qua vùng cấm lênvùng dẫn Để lại vùng hoá trị các lỗ trống dới tác dụng của điện trờng ngoài(phân cực ngợc) Nên các dòng điện tử chuyển động từ p sang i qua n và đi ramạch ngoài tạo thành dòng tách quang Còn các lỗ trống chuyển động từ n qua

i sang p và cũng tham gia tạo dòng tách quang trong mạch ngoaì Ngợc chiềuchuyển động của các điện tử Để nâng cao hiệu suất tách quang phải có lớpchống phản xạ tráng mặt ngoài lớp p của diode

2 Diode thác quang APD ( A valanche photo diode)

Vùng hoá trị + +

+

+ + +

+ + +

Pho ton

n dẫn bán với nối E

p dẫn bán với nối E



 :

Nguồn phân cực ngợc có trị số cao để tạo ta điện trờng tăng tốc trong vùngnhân.

Nguồn điện: E=(200+300V)DC

Lớp p+ và N+ có nồng độ hạt điện tử tơng đối cao để giảm điện tử tiếp xúc.Lớp p: là lớp bán dẫn p có nồng độ lỗ trung bình

Lớp : là lớp có vùng điện trờng thấp và hấp thụ các photon để tạo ra các cặp

điện tử và lỗ trống

b Hiện tợng thác trong APD

Một hạt photon đi quan miền  (hấp thụ ánh sáng mạnh) và tạo ra một cặp điệntử-lỗ trống-khi các điện tử và lỗ trống qua miền tăng tốc thì tốc độ của chúngtăng lên đột biến va đập vào các nguyên tử của bán dẫn và giải phóng ra cặp

điện tử-lỗ trống thứ hai Điện tử thứ 2 này tăng tốc và chạm vào nguyên tử củabán dẫn giải phóng cặp điện tử-lỗ trống thứ ba phản ứng dây chuyền này tiếpdiễn trong một thời gian ngắn làm số lợng các điện tử và lỗ trống tăng lên độtbiến Có nghĩa là dòng tách quang cũng tăng lên đột biến, đó chính là hiệu ứngquang thác trong APD

Hệ số nhân:

x chiều dài APD

miền tăng tốc

EE

max

0

Rt+

- - +

- - +

3 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD

 Độ nhậy: APD nhậy hơn PIN và lớn hơn từ 5 đến 15dBm

Tuy nhiên dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhậy tơng đơng với độ nhậy củaAPD

 Dải rộng: dải rộng của APD rộng hơn PIN và có thể điều chỉnh đợc bằngcách thay đổi đợc áp phân cực ngợc để thay đổi hệ số nhân M

 Dòng tối của APD lớn hơn PIN

 Độ ổn định của PIN tốt hơn so với APD vì hệ số nhân của APD phụ thuộc

điện áp phân cực, và thay đổi theo nhiệt độ

 Điện áp phân cực ngợc của APD lớn hàng trăm vol còn điện áp phân cựcngợc của PIN<20 vol

độ nhạy(dBm)

APDPIN

- - +

- - + + +

-+ Giá thành cao

Do có những đặc tính trên mà cả APD và PIN đều tồn tại song song

Bảng đặc tính thu quang và ứng dụng

Các đặc tính

 Độ nhậy thu ánh sángcao

 Tạp âm lớn

 Điện thế hoạt độngcao

Bảng so sánh độ nhậy APD và PIN-FET

800-9001300-15501300-1550

-55-54-57

InGaAs

1300-1500

800 50-54

Phụ chơng cáp sợi quang

(cáp sợi quang VINa-GSC)

 Cáp chôn trực tiếp-phi kim loại

Mô tả

Cáp sợi quang VINA-GSC cung cấp giải pháp truyền dẫn tuyệt vời, bảo vệ sợiquang trong các môi trờng khác nhau Cáp này đợc thiết kế để dùng cho nhữngvùng hay có sét hoặc điện cao thế ảnh hởng

Cáp phi kim loại hoàn toàn

Bảo vệ khỏi sự phá huỷ của sét và nhiễu điện

-Băng PS hoặc/và lớp sợi tơ bảo vệ và chịu lực kéo

Thành phần gia cờng trung tâm

Thông số Đơn vị Loại 2-36 sợi Loại 37-72 sợi

56

78

12349

§êng kÝnh d©y gia cêng mm 2.7 3.5

§Æc tÝnh h×nh häc vµ quang häc cña sîi quang

M· mÇu sîi quang

Xanh lôc (GN)

§á (RD)

Vµng (YL)

TÝm (VI)

N©u (BN)

§en (BK)

Tr¾ng (WH)

X¸m (GY)

Xanh Ngäc AQ

Chơng IV

Kỹ thuật khuếch đại quang

Nh ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly dài tớimức phân bố suy hao không thoả mãn, suy hao tuyến vợt quá công suất dựphòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đờng truyền Cáctrạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổiquang - điện và điện – quang Điều này có nghĩa là tín hiệu quang rất yếukhông thể truyền xa đợc tiếp nữa sẽ đợc các trạm lặp thu lại và biến đổi thànhtín hiệu điện; sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạngtín hiệu và rồi lại biến đổi thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đờng truyền.Các trạm lặp này đã đợc ứng dụng khá rộng rãi ở hầu hết các tuyến thông tinquang trong thời gian vừa qua

Trong thời gian gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệthông tin ngời ta đã thực hiện đợc quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánhsáng.Và không phải qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật khuếch

đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục đợc nhiều hạn chếcủa các trạm lặp nh về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hởng củanhiễu điện Việc áp dụng các bộ khuếch đại quang vào các hệ thống thông tinquang còn đa ra một ý tởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tinhoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển các mạng quanghoá hoàn toàn

4.1 Các loại khuếch đại quang

Có một số các bộ khuếch đại quang đã đợc nghiên cứu và ứng dụng, đó

là các bộ khuếch đại laser bán dẫn (SLA-Semiconductor Laser Amplifier) các

bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm, các bộ khuếch đại Raman sợi và các bộkhuếch đại Brillouin sợi Để ứng dụng cho các hệ thống thông tin quang, cầnphải dựa vào các tham số của nó

Qua một thời gian nghiên cứu, đã có nhiều tiến bộ kỹ thuật trong kỹthuật khuếch đại quang Tuy nhiên thành công chủ yếu tập trung vào khuếch

đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợi

Có hai loại khuếch đại laser bán dẫn SLA chính là khuếch đại sóngchạy (TWA-Traveling-Wave-Amplifier) và khuếch đại Fabry-Perot (FPA-Fabry-Perot- Amplifier), ngoài ra còn loại khuếch đại phân bố hồi tiếp (DFB-Distribute Feedback)

Một số tham số của các loại khuếch đại quang đợc cho trong bảng sau:

Loại thiết

bị

Khuếch

đại laserFP-LD

Laser LD

TW-Khuếch

đạiQuang sợi

Khuếch

đại Raman

Khuếch đạiBrillouin

nghịch

đảo độtích luỹmôi tr-ờng

Bức xạ từnghịch đảo

độ tích luỹmôi trờng

Bức xạ từnghịch đảo

độ tích luỹmôi trờng

Tán xạRaman đ-

ợc kíchthích

Tán xạ Brillouin

đợc kích thích

4.2 Khuếch đại laser bán dẫn.

Các bộ khuếch đại laser bán dẫn (SLA)có cấu trúc cơ bản dựa trên cấutrúc laser bán dẫn thông thờng, có độ rộng vùng tích cực W, độ dày d, dài L vàchỉ số chiết suất là N Hình 3.1 mô tả một bộ khuếch đại bán dẫn, tính phản xạ

bề mặt đầu vào và đầu ra đợc ký hiệu tơng ứng là R1và R2 Thiết bị đợc địnhthiên dới mức ngỡng phát để tránh dao động laser xuất hiện Các vỏ chốngphản xạ đợc áp vào các mặt laser để giảm tính phản xạ của nó (trong diot laserthông thờng R1= R2=0,3) điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các

đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt

độ và tính phân cực của ánh sáng đầu vào

4.2.1 Các đặc tính của SLA.

Các hiện tợng cơ bản và các chi tiết vật lý để mô tả các bộ khuếch đạilaser bán dẫn (SLA) giống nh đối với các laser bán dẫn hoạt động ở vùng cửa

sổ suy hao 1300nm và 1550nm của sợi dẫn quang Một phơng trình đánh giá

về mật độ hạt mang cũng có đủ để thể hiện sự khuếch đại trong vùng tích cực

ở trạng thái trạng thái bền vững, hệ số khuếch đại vật liệu cho một đơn vị độdài gv phụ thuộc vào cờng độ tín hiệu I theo quan hệ:

ở đây Is là cờng độ ánh sáng dẫn xác định, đợc gọi là cờng độ bão hoà

khi cha có tín hiệu vào, g0 là đại lợng đặc trng cho hệ số khuếch đại cha bãohoà Rõ ràng ở đây là có thể thấy ảnh hởng của bão hoà khuếch đại ở các cờng

độ đầu vào cao

Nhìn chung, cờng độ và sự khuếch đại phụ thuộc vào vị trí dọc theo độdài bộ khuếch đại Tuy nhiên, có thể thấy rằng, việc thừa nhận tính phụ thuộcvào vị trí sẽ cho ra các kết quả chính xác khi có sự phân bố trờng theo trục đợc

s

v

I I

g g



1