Môc lôc 1 M¹ch ®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang Tr¹m lÆp M¹ch ®iÖn Ph¸t quang Bé nèi quang Mèi hµn sîi Sîi dÉn quang Bé chia quang Bé thu quang TÝn hiÖu ®Çu vµo Ch¬ng1 KH¸I QU¸T VÒ TH¤NG TIN QUANG I Kh¸i q[.]
Khái quát
Do sự phát triển của hệ thống truyền dẫn, đòi hỏi tổ chức các luồng kênh cực lớn Với kỹ thuật thông tin quang ngời ta cũng có thể tạo ra các hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống điện Hiện nay các hệ thống truyền dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s.
Trớc tiên sử dụng các khoá điện tử, rồi sau đó đến các hệ thống chuyển mạch photon “dùng ánh sáng để chuyển mạch” Khi đó mạng thuê bao đã chuyển sang dùng cáp quang và mạng là thông tin thuần túy Hiện nay thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu Nó đợc ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống truyền dẫn và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá trình chuyển đổi điện quang và quang điện ở bên thu và bên phát.
Hệ thống truyền dẫn quang
Error: Reference source not found Các thành phần chính của tuyến có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trờng bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần Ngoài các thành phần chủ yếu này còn có các mối hàn bộ nối quang, chia quang và các trạm lặp Tất cả tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Chuyển đổi tín hiệu §Çu thu quang
Khuếch đại quang Tín hiệu ®Çu ra
Tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Phạm vi ứng dụng của kĩ thuật truyền dẫn quang
Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống Trong lĩnh vực thông tin, các hệ thống truyền dẫn quang đợc ứng dụng vào các hên thống trung kế giữa các hệ thống tổng đài điện thoại và các tuyến truyền dẫn đờng trục có dung lợng lớnvà cự li xa Trong mạng digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang còn đợc sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, hình ảnh, số liệu… Trong mạng truyền hình cáp, sợi đợc sử dụng có hiệu quả, thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian bằng sóng vô tuyến Ngoài ra sóng còn đợc sử dụng trong các hệ thống cự li rất ngắn để truyền cac số liệu đo lờng , điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc các thông tin văn phòng trong phạm vi mạng LAN.
Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành 2 loại theo phạm vi ứng dụng: hệ thống thông tin đờng dài và hệ thống thông tin cự li ngắn.
Hệ thống truyền dẫn gồm : cáp quang, linh kiện phát quang ở đầu phát và linh kiện thu quang ở đầu thu, các bộ nối, các chỗ hàn nốivà linh kiện thụ động Chúng quyết định giá thành của hệ thống Với hệ thống đờng dài, tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm cách nhau
1 khoảng lặp Vì cáp quang cần khối lợng lớn nhng nó là phần tử quyết định giá cả Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát có công suất lớn Vì vậy sợi quang đơn mốt đợc u tiên sử dụng, kèm theo đó là cáac bộ hàn bộ nối đắt tiền Điot LED ít đợc sử dụng vì công suất nhỏ, mà LD đợc sử dụng nhiều hơn Điot thu cũng đợc lu ý chọn có độ nhạy cao, chẳng hạn APD hoặc PIN-FET.
Với hệ thống cự li ngắn thì cáp không có vai trò quyết định, mà ngợc lại là các bộ nối và linh kiện thu, phát quang Có thể sử dụng sợi quang đờng kính lớn nh sọi đa mốt SI và GI Công suất phát quang cũng không cần lớn, nên có
Ghép-tách luồng SQ thể dùng LED Tốc độ truyền dẫn cũng không lớn, nên diot thu cũng không cần loại băng rộng và đọ nhạy cao, có thể dùng diot PIN Nh vậy tuyến truyền dẫn quang trong 2 trờng hợp là có những chỉ tiêu tối u khác nhau.
Các phơng pháp ghép kênh
Ghép kênh tín hiệu điện PCM và tín hiệu quang theo thời gian
Hiện nay tồn tại 2 tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mã PCM Đó là của châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn và của Mỹ-Nhật 1,544Mb/s cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn Vì sợi quang có tiêu hao nhỏ và độ rộng băng lớn nên có thể tăng số kênh đến 1,6 hoặc 2,2Gb/s mà không phải rút ngắn khoảng lặp Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM bằng các xung phát đi ngày càng hẹp lại , đòi hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên rất lớn Chỉ có sợi quang với độ rộng băng truyền dẫn rộng mới có thể cho phép truyền dẫn tín hiệu PCM tốc độ lớn hơn nh thế Từ khả năng ghép thời gian trên các hệ thống truyền dẫn có thể ghép tín hiệu theo thời gian Mỗi tín hiệu quang là chùm PCM đã qua biến đổi điẹn quang Nhờ đó tốc độ truyền dẫn tăng lên cao hơn.
2.Ghép kênh theo bớc sóng
Nguyên lý ghép kênh theo b ớc sóng
Nguyên lí ghép tách luồng
Trong phơng pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng 2 sợi quang cho hai hớng thu phát độc lập Ngoài ra thực hiện thu phát kênh theo bớc sóng để thực hiện truyền dẫn 2 chiều theo cùng 1 sợi quang Nhiều tín hiệu PCM ghép theo thời gian sẽ đợc truyền dẫn cùng 1 sợi quang nhờ ghép vào các bớc sóng khác nhau nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị ở hình dới
Các thiết bị ghép và tách luồng MULDEX là các bộ lọc ánh sáng Máy phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bớc sóng Còn ở đầu kia máy phát P3,P4 bức xạ ánh sáng bớc sóng Các tần số quang đợc các bộ lọc ở 2 đầu đờng dây tách ra Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái sinh sau đó ghép trở lại đi trên tuyến chung.
Phơng pháp ghép luồng rẽ hớng
Hai luồng quang 1và 2 hòan tòan độc lập với bớc sóng sử dụng và phơng pháp ghép kênh tín hiệu điện, đợc tách thành luồng quang đi và luồng đến.Hai gơng ở đầu thu G1, G2 là loại thu một chiều Một gơng sẽ cho luồng béc xạ phát của máy phát tại đó đi qua và một phần tổn thất ra ngoài, không lọt
0 f0 Điôt trộn vào điôt thu Các gơng làm nhiệm vụ tách luồng thu và phát đợc trên cùng một sợi quang.
Các phơng pháp trên độc lập nhau, nên có thể kết hợp chung để sử dụng,tăng hiệu suất cho sợi
Phân loại các hệ thống truyền dẫn quang
Phân loại theo dạng tín hiệu điện
Tín hiệu đa vào điều biến có thể là analog hoặc digital Hệ thống analog ít đợc chế tạo sử dụng, nhất là hệ thống băng tần tín hiệu rất rộng vì đặc tính công tácphi tuyến của diot laser phát, của diot thu quang, ảnh hởng của tán xạ sợi quang
Các hệ thống thu quang dải rộng hiện nay truyền dẫn digital dới dạng ghép kênh PCM theo các cấp tiêu chuẩn.
2.Theo phơng pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu biên
Theo phơng pháp điều biến quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu nên phân ra các loại sau: a Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực hiện điều biến trực tiếp các diot laser. Các tín hiệu điện điều biến vào cờng độ bức xạ nguồn quang ở đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp trên diot quang từ công suất quang da vào Các phần tử của hệ thống làm việc ở chế độ dơn mốt "một tần số" mà vẫn đẩm bảo khả năng truyền dẫn Nhng các hệ thống có tốc độ cực lớn thì bị hạn chế về độ nhạy về độ rộng băng truyền dẫn và cự li khỏang lặp. b Hệ thống thu kết hợp: Phơng pháp này điều biến gián tiếp nguồn quang ở đầu phát Luồng tín hiệu điện và luồng bức xạ quang dơn sắc đa vào đợc điều biÕn trong bé ®iÒu biÕn quang. ở đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang ở đầu phát. Luồng tín hiệu quang thu đợc từ sợi quang đợc đa vào bộ trọn là diot quang cùng với nguồnquang đơn sắc của bộ phát quang nội để lấy ở đầu ra một tần số trung gian, đợc đa đến mạch tách sóng để tách ra tín hiệu điện ban đầu.
Nguyên lí thu kết hợp
Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bớc sóng tơng ứng phần bớc sóng f1 điều biến tải tin có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha Tại đầu thu có bộ phát quang nội, phát xạ tia có bớc sóng tơng ứng fo Cả f1, fo đa vào bộ trộn là diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn đủ lớn cỡ 10GHz Đủ để mang tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn Nhng cũng không quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại củamạch khuếch đại điện tử Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu đợc tín hiệu ban đầu.
So với phơng pháp trực tiếp thì phơng pháp này có độ nhạy cao hơn, tỉ số tín hiện nhiễu S/N lớn hơn nên tăng cự li trạm lặp nên có thể truyền các tín hiệu băng tần rất rộng Hiện nó đang đợc sử dụng rộng rãi
Theo tốc độ và cự li truyền dẫn
Các hệ thống đờng dài chủ yếu đơch sử dụng trên mạng điện bao gồm các mạng két nối truyền dẫn giừa các vùng, mạng trung kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và các mạng phân phối truyền hình Hiện nay có thể phân phối thành các loại:
Hệ thống có dung lợng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s hoặc dung lợng trung bình với tốc độ34Mb/s sử dụng trên mạng thuê bao ISDN và mạng trung kế giữa các tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km trong thành phố hoặc 20_30km ở vùng nông thôn , không có trạm lặp.
Các hệ thống liên tỉnh với dung lợng rất lớn và tốc độ truyền dẫn 140Mb/s trở lên, cự li truyền dẫn rất xa Hệ thống gồm các trạm đầu cuốivà các trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn hơn 50km cho đến hàng trăm km. Đặc biệt các hệ thống cáp quang quốc tế dới biển hiện nay đều đợc thiết kế với tốc độ 280,420,565,1200 và 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40 >400km.
Các thế hệ phát triển của hệ thống truyền dẫn quang
Thế hệ thứ nhất
Bắt đầu từ những năm 1970 Sợi sử dung chủ yếu là loại SI hoặc GI, bớc sóng ngắn 0,85mm Linh kiện pháp là LD hoặc LED Linh kiện thu là diot
7 quang Si Vì có ảnh hởng của tán xạ vật liệu và tán xạ mốt Nên tích số độ rộng băng (B) và độ dài khỏang lặp (L) nhỏ BL@0 >1200MHz Tán xạ và tiêu hao của sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền và cự li khỏang lặp Hệ thống có dung lợng nhỏ và trung bình, chủ yếu sử dụng trong mạng trung kế và tổng đài.
Nhờ tiến bộ của công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bớc sóng dài 1,3mm Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát là LD,LED loại InGaAsP Linh kiện thu là APD Hoặc PIN nhóm III-IV hoặc tổ hợp PIN-GaAsMESFET.Không còn tán xạ vật liệu, còn tán xạ mốt, tích số BL tăng lên Tốc độ truyền trung b×nh 34Mb/s cù li trung b×nh 3km.
Thế hệ thứ ba
Sử dụng sợi đơn mốt SM, bớc sóng dài 1,3m.Không còn tán xạ mốt và vật liệu Tán xạ tổng cộng rất bé Hệ thống dùng cho đờng trục với dung lợng lớn, tốc độ truyền dẫn cao và vợt cự li xa.
Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung bình và độ rộng phổ bức xạ, do đó muốn tăng L thì giảm tán xạ của sợi quang hoặc gỏam độ rộng phổ bức xạ.
Nếu sử dụng LD cộng hởng Fabry-Perot thông thờng (FP-LD) đạt cự li 50-60km cho hệ thống 140MB/s ở bứoc sóng 1,3mm
Nếu tốc độ cao 400MB/s và 565MB/s để cự li 50km Khi dùng FP-LD thì phải chọn và điều khiển cáp có tán xạ nhỏ và độ rộng phổ nhỏ, cáp đợc lắp đặt tèt.
Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km thì chọn nguồn bức xạ có độ rộng phổ nhỏ Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L do tán xạ tăng, gây ra tạp âm phân bố mốt Thế hệ này đợc sử dụng rộng rãi trên thế giới.
Thế hệ thứ t
Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn thì phải:
Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ Sợi quang đơn mốt có tán xạ dịch chuyển DS-SM đợc sử dụng.
Sử dụng diot laser phát tin cậy, có độ rộng phổ bức xạ bé, đơn mốt Các diot laser BH-LD và DFB-LD đợc chọn.
Chọn diot thu quang có độ nhạy cao Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớpInGaAsP có tạp âm nội và dòng tối nhỏ Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với
GaAs-MESFET làm bộ tiền khuếch đại có trở kháng vào cao và điện dung kí sinh nhỏ Cho phép tăng đọ nhạy thu.
Xu thế phát triển của hệ thống truyền dẫn quang tơng lai
- Sử dụng kĩ thuật phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng khi nhu cầu truyền dẫn tăng vợt quá số lợng đờng thông tin hiện có Mỗi kênh quang cần có bộ lặp trung gian riêng Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít của mỗi kênh rất lớn.
- Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent, nhờ đạt mật độ kênh rất cao Trong tơng lai phơng pháp Coherent đóng vai trò chủ yếu vì tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB Cự li khỏang lặp kéo dài đáng kể
Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km
Truyền dẫn 36bit/s và 400Mbit/s vợt khỏang lặp 300km Khó khăn là chế tạo diot leser bức xạ ánh sáng kết hợp chất lơng cao.
- Phát triển các loại sợi quang trên vật liệu mới Flor(F) thay SiO2, đạt giá trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km.
- Phát triển vi mạch quang Tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC Sử dụng cách thức mới sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng
Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang
Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại Đờng kính mẫu của sợi quang là 0,1mm nhỏ hơn nhiều cáp đồng trục có đờng kính là 10mm.
Do nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo ít, lại đợc lắp đặt dễ dàng ngay cả bằng tay Các cáp quang hiện nay cho phép tăng cờng đợc nhiều kênh truyền mà tăng đờng kính ít.
Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trờng trung tính với ảnh hởng của nớc, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn mòn nếu lớp ngoài bảo vệ có h hỏng thì bên trong sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn hoạt động đợc
Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập mạch.
Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ bị ảnh hởng của điện từ bên ngoài Nên có thể sử dụng ở những nơi có nhiễu điện từ trờng mạnh nh là trong nhà máy, nhà máy điện …
Vì nhẹ và không ảnh hởng của điện từ nên đợc dùng trong máy bay, tàu thuỷ, trong công nghiệp truyền số liệu.
Vì không gây nhiễu ra bên ngoài và không gây xuyên âm giữa các sợi quang nên bảo đảm không bị nghe trộm.
Vì là sợi điện môi nên đầu vào và ra cách điện nhau không có mạch vòng chạy qua đất.
Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu Tiêu hao nhỏ trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi có cùng chi phí xây dựng.
Vì tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn.
Nhợc điểm
Truyền dẫn quang đòi hỏi đầu t ban đầu rất lớn và tốn kém Nớc ta là nớc đang pháp triển nên vấn đề này gặp nhiều khó khăn.
Lắp đặt giữa các sợi quang đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thì đắt tiền a dk dm
Sợi quang
Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo và phân loại
Dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trừơng Khi nó đi từ môi trờng chiết suất cao hơn sang môi trờng chiết suất thấp hơn để truyền ánh sáng trong sợi quang
Error: Reference source not found
Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n, bán kính là a, đơng kính là dk Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết suất n2 < n1 có đờng kính là dm Độ lệch chiết suất tuyệt đối n = n1 – n2 Độ lệch chiết suất tơng đối n/n1
Hai tham số này đặc trng cho khả năng truyền dẫn của sợi quang.
Những đờng kính thông dụng của sợi quang
Lõi từ 8 – 10 / 125 m: là sợi đơn mốt nó truyền thông tin với tốc độ cao nhất và suy hao thấp nhất Nó đợc sử dụng cho những khoảng cách lớn hoặc trong truyền số liệu tốc độ cao Do lõi nhỏ nên đòi hỏi độ chính xác mối hàn cao.
Lõi 50/125 m: loại này sử dụng rộng rãi Do góc mở ( nA) thấp và kích thớc lõi nhỏ nên chỉ cần lợng ánh sáng tối thiểu cho một sợi đa mốt Trong tất cả các loại sợi đa mốt thì loại này có băng thông rộng nhất
Lõi 62,5/125 m: Loại này băng thông ít hơn loại 50/125 m nhng lại ít nhạy cảm với uốn cong Góc mở (nA) cao hơn đờng kính lõi nên làm cho loại này có công suất ghép nối ánh sáng tốt hơn một ít loại 50/125 m.
Loại 80/125 m có khả năng kết nối ánh sáng tốt.
Lõi 100/140 m : đờng kính lõi lớn làm cho loại này rễ kết nối nhất nhng lại ít nhậy cảm với độ chính xác Nó tập trung đợc hầu hết ánh sáng từ nguồn nhng lại có băng thông hẹp so với các loại trên Nó đợc sử dụng ở những khoảng cách độ dài trung bình tốc độ thấp Loại này ít thông dụng
Bảng phân loại các loại sợi
Lõi (m) NA Tổn hao Băng thông Bớc sóng
8 – 10 Nhá nhÊt ThÊp nhÊt Cao nhÊt 1310 – 1550
50 Nhỏ hơn Thấp hơn Cao hơn 850 – 1310
100 Lớn nhát Cao nhất Thấp nhất 850 – 1310
Theo cấu tạo : theo kích thớc ruột và vỏ, theo vật liệu sử dụng và theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi.
Theo đặc tính truyền dẫn: theo sợi đơn mốt, đa mốt
Phân loại theo đa mốt, đơn mốt Đặc điểm của sợi đa mốt là truyền dẫn đồng thời nhiều mốt, còn sợi đơn mốt thì truyền duy nhất một mốt Sợi đa mốt có đờng kính ruột dk khá lớn, còn sợi đơn mốt thì nhỏ hơn Trong sợi đa mốt có nhiều tia sáng đợc truyền dẫn theo các đờng khác nhau Còn sợi đơn mốt thì chạy song song với trục của sợi
Theo sự biên thiên của chiết suất trong ruột sợi Ngời ta chia ra chiết suất bậc SI (Step Index) và chiết suất biến thiên đều GI ( Graded Index).
Trong sợi SI chiết suất ruột n1 không thay đổi và vì n1 > n2 nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bớc nhảy Trong sợi GI có chiết suất n1 của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần đến mặt phân cách vỏ ruột thì bằng giá giá trị n2 của vỏ, sợi đơn mốt đực chế tạo từ sợi GI Ta tạm chia làm 3 loại r n1n n2
Sợi đa mốt chiết suất SI – MM ( Multi Modes)
Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI – MM
Sợi đơn mốt SI – SM (Single mode)
Error: Reference source not found
E rror: Reference source not found
Sự biến thiên chiết suất của sợi biểu thị qua công thức: n(r) = n1 cho |r| ≤ a n(r) = n2 cho |r| > a
Khi g nhỏ thì công thức trên là sợi là sợi GI > Nhng khi g -> oo thì n(r)là sợi SI.
Thực tế với g≥ 10 coi là sợi SI trong thông tin đờng dài g =2 Đặc tuyến truyÒn tèt 1≤ g ≤3.
Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh cã chiÕt suÊt n= = 1,5.
Với r là hằng só điện môi tơng đối của vật liệu Thực tế chiét suất còn thay đổi theo bớc sóng công tác.
Error: Reference source not found
Muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột vỏ từ cùng thuỷ tinh thạch anh , ta cho thêm hoạt chất vào
Cho GeO2 làm tăng chiết suất
Cho Flurit(F) làm giảm chiết suất
Các đặc tính và tham số của sợi quang
1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang
Xét hình bỏ dọc trục sợi n
Err or: Reference source not found
Các tia sáng từ nguồn bức xạ đa vào sợi quang, phải di qua môi trơng không khí , có chiết suất nk=1 rồi đi vào môi trờng sợi có n1>nk Khi vào các tia bị khúc xạ ,chùm ánh sáng vào là chùm các vô số các góc tới khác nhau Để các tai này lan truyền đợc thì mặt phân cách thoả mãn diều kiện phản xạ toàn phần góc tới hạn sinT=n2/n1 Các tia muốn lan truyền đợc thì góc tới
và góc nghiêng: 0≤ A≤A max ở sợi GI dùng thuỷ tinh thạnh anh thì n/n1 0.0010,003 Do vậy góc ngiêng Amax=8 o 14 o
Kết quả tính toán cho giá trị max=arcsinn1.=arcsin víi =(n1 2-n2 2 )/2n1 2.
Muốn các tia đợc truyền dẫn còn phản xạ trên mặt phân cách vỏ ruột thì các tia đa vào sợi phải nằm trên hình nón với các tia nửa góc mở là max ở ®Çu cuèi d©y. Để đặc trng cho khả năng cho khả năng ghép nguồn bức xạ quang vào sợi Đại lợng đặc trng cho sợi là độ mở ( hay khẩu độ số ): N =sinmax Khi
Các tia khi phản xạ đều đi qua trục sợi là tia kinh tuyến, còn các tia mà phản xạ mà không đi qua trục sợi , khi phản xạ nhiều lần có xu hớng đến gần một hình tròn tới hạn mà nằm trên một mặt phẳng nh tia kinh tuyến gọi là tia nghiêng.
Các tia chạy với đờng dích dắc khác nhau Đến cuối sợi với quãng đờng khác nhau nhng vận tốc là không đổi v=c/n1=const Khi chiết suất ruột biến thiên, nên vận tốc trong ruột cũng biến thiên theo bán kính r : v=c/n1(r)=v(r).
23 r n ở sợi GI tia chạy theo dạng hình sóng, với chu kì vài khoảng vài milimet.
Err or: Reference source not found
Tia 1: là tia dọc trục
Tia 2: là tia không đến mặt giới hạn vỏ ruột
Tia 3: là tia vừa đạt đến mặt giới hạn vỏ ruột
Muốn tia sáng không tiếp xúc với mặt phân cách vỏ ruột thì phụ thuộc vào tia sáng đa vào sợi và độ mở sợi().
Các tia dọc trục có đờng đi ngắn nhất nhng vận tốc là nhỏ nhất, vì n(r)=no=max Các tia khác có đờng đi dài hơn nhng tốc độ lớn hơn Nên trong sợi SI có sự bù trừ cho nhau về thời gian, và sự trênh lệch thời gian trong sợi
GI < trong sợi SI Chiết suất biến thiên theo hàm gần parabol
Sợi SI có nhợc điểm là ánh sáng đa vào mặt cách của sợi trên mộ mặt cách nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ nhọn hơn
Trong sợi đơn mốt các tia không thể lan truyền dới các góc bất kì mà chỉ lan truyền theo các hớng nào đó để các tia thành phần không triệt tiêu nhau
Số mốt đợc lan truyền phụ thuộc vào tỉ số của đờng kính sợi và bớc sóng công tác Tham số công tác dkn1//. Để đạt đợc chế độ đơn mốt thì phải nhỏ hơn giá trị tới hạn G (chiết suất bậc thông dụng) G=2,405.
2.Sự lan truyền các mốt trong sợi quang
Mốt là trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phơng trình sóng của Măcwel và điều kiện bờ là từ sợi quang
Khi lan truyền thì năng lợng tập trung trong ruột sợi , còn phần năng l- ợng rò ra vỏ tạo ra các mốt rò và mốt vỏ thì bị dập tắt ngay Ta chỉ chú đến mốt lan truyền trong ruột sợi.
Các mốt lan truyền có đặc tính sau:
Mỗi mốt có sự phân bố năng lợng điện trờng riêng trên mặt của sợi và không dổi dọc theo trục của sợi trong khi lan truyền.
Các mốt hoàn toàn độc lập nhau.
Mỗi mốt có tốc độ lan truyên riêng.
Mỗi mốt chỉ tồn tại cho một bớc sóng xác định của nguồn sáng thoả mãn điều kiện G Trong chế tạo , có những chỗ không đồng nhất gây ra sự thay đổi chiết suất n1 của ruột sợi ảnh hởng đến điều kiện lan truyền của các sóng ánh sáng Khi lan truyền thì các mốt không còn độc lập với nhau nữa mà giữa chúng có sự trao đổi năng lợng qua lại, gọi là trộn mốt Hiện tợng này có lợi khi lan truyền các sợi đa mốt ở cự li dài, một số mốt mất đi Giảm ảnh hởng tán xạ của đa mốt.
Nh vậy với mỗi sợi quang chỉ xác định đợc một ngỡng G2 để bên trên nó chỉ tồn tại mọt mốt lan truyên.
Suy hao
Suy hao trên sợi dẫn quang có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống là tham số xác định khoảng casxh giữa phía thu và bên phát
Suy hao sợi hay suy hao tín hiệu bằng công suất đầu ra, vào và chiều dài L là
1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang a Do tạp chất : trong thuỷ tinh có tạp chất làm tăng đặc tính suy hao: nớc,coban, ion sắt,…Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20dB/km thì sự có mặt của nớc ít hơn nài phần tỉ Có thể đạt đợc nhờ chế tạo từ phơng pháp MCVD Vời mức tạp chất này làm cho đờng cing suy hao sẽ trơn hơn tại các đỉnh và khe suy hao.
Suy hao Uốn cong do tạp chất
Hấp thụ điện tử Tán xạ
Error: Reference source not found b Hấp thụ vật liệu: ở bớc sóng dài sẽ cho suy hao nhỏ hơn Nhng các liên kết nguyên tử lại kiên quan đến vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bớc sóng dài, gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bớc sóng cơ bản của liên kết hấp thụ nằm ngoài vùng bớc sóng sử dụng, nhng đuôi hấp thụ vẫn ảnh hởng và kéo dài đến bớc sóng1550nm ở vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể c Hấp thụ điện tử : Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các diện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lợng cao hơn. Lúc này bờ cực tím của dải hấp thụ điện tử của hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có quan hệ =c.e E/Eo
Với C,Eo là hằng số rút ra từ kinh nghiệm, E là năng lợng photon
Dặc tuyến đi xuống theo hàm mũ so với chiều tăng của bớc sóng.
2 Suy hao do tán xạ
Là do tính không đồng đều rất ngỏ của sợi quang gây ra Suy hao này làm giảm1/4 công suất bớc sóng Suy hao tá xạ tại bớc sóng :=8 3 (n 2 -
Với n: chiết suất, kB: hăng số bonzoman, T: hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu, TF: nhiệt độ h cấu
3 Suy hao do uốn cong sợi
Là suy hao ngoài bản chất của sợi , khi bất kì sợi dẫn quang nào cũng bị uốn cong theo một đờng cong có bán kính xác định Thì sẽ bị phát xạ tín hiệu ra bên ngoài vỏ của sợi, nên ánh sáng lantruyền sẽ bị suy hao Có hai loại uốn cong. suy hao công suất từ các mốt bậc cao vá
Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong tơng đối lớn hoặc lớn hơn đờng kính sợi
Vi uốn cong: là sợi uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, nó hay xảy ra trong lúc bọc thành cáp.
Hiện tợng suy hao do uốn cong có thể xảy ra khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trí bị uốn cong.
Err or: Reference source not found
Nếu sợi bị uốn cong ít, giá trị suy hao xảy ra là ít và khó có thể thấy đ- ợc
Một dạng khác của suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là suy hao do uốn cong ngẫu nhiên gây ra Vi uốn cong là sự dao động trong phạm vi nhỏ của trục sợi, chúng nẩy sinh khi không đồng đều trong chế tạo sợi cũng nh khi có áp lực bên trong đều trong lúc bọc cáp. Để giảm vi uốn cong là bọc một lớp vỏ có khả năng chịu nén cho sợi, khi có lực bên ngoài tác động vào Với sợi đa mốt có bán kính lõi a, vỏ là b, chênh lệch chiết suất là thì suy hao do uốn cong m=[1+ 2 (b/a) 4 Ef/Ej] -2
Với Ef, Ej là các modul Young của vỏ bảo vệ và sợi.
Err or: Reference source not found
Uốn cong và vi uốn cong đều có thể gây suy hao Giá trị suy hao tuỳ thuộc vào bán kính uốn cong của sợi, bán kính càng nhỏ thì suy hao càng lớn.
Tán xạ trong sợi quang
1 hiện tợng và nguyên nhân ảnh hởng
Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tợng dãn rộng xung ánh sáng ở đầu thu và các xung lân cận có thể đè lên nhau Khi đó không phân biệt dduwowcjcasc xung với nhau, gây méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tợng dãn xung gọi là tán xạ.
Nguyên nhân là do ảnh hởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau do các thành phần ánh sánh phát đi đồng thời.
Tán xạ ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn. khi truyền dẫn tín hiệu số miền thời gian nó gây ra có sự dãn rộng các xung ánh sáng. khi truyền tín hiệu tơng tự ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ và có hiện tợng dịch pha Độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn.
Tán xạ mốt, còn gọi là tán xạ đa mốt.
Tán xạ sợi dẫn quang
3 Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tóc độ truyền dÉn bit.
Xét truyền dẫn tín hiệu số Coi xung phát có độ rộng S , xung thu có độ rộng E Khi đó khi thu về xung bị dãn rông do tán xạ với độ dãn rộng(thời gian) là : đợc tính theo công thức =
Trờng hợp xung phát hẹp S 50W/mA.
Khi thiết kế chú ý đến hệ số điều khiển S với analog thìS preff
Ps , Preff là trị hiệu dụng của Ps.
Các đặc tuyến bức xạ của LED và LD
Sơ đồ t ơng đ ơng của LED với dòng điều biến nhỏ Đặc tuyến biên độ của độ dốc điều biến của diot LED t t h*S(t) S*S(t)
Với digital S== với PS1, PS0 là công suất bức xạ cho các mức logic "0" và
4 Đặc truyến điều biến động a §iot LED
Thực chất Ps đợc xác định theo dòng điện iR chảy qua thuần trở RD:
Từ quan hệ của mạng hai cực CD-RD có giá trị iR(f): iR(f)= với fg=, fg là tần số cắt hay tầb số giới hạn.
Từ trên có Ss(f)= nên giá trị tuyệt đối của biên độ là :
Ss *=//= Đặc tuyến biên độ của S * s đợc biểu diễn ở hình b.
Từ Ps(f)= Ss(f).iS(f) biến đổi Frurier với t >=0 sẽ có đáp ứng xung hS(t)=.e -t/ts Víi S= RD.CD.
Với tín hiệu kích có dạng xung nhảy iS thì Ss(t)= Ss.iS(1- e -t/ts ) Đặc tuyến của hàm đáp ứng xung chuẩn hóa h * S(t) và đáp ứng xung kích thích S * S(t).
Thời gian xác lập của đáp ứng xung S= RD.CD
Thời gian xác lập của đáp ứng kích thíchtừ 10% >90% giá trị cuối cùng (hình b) là tA=2,2 RD.CD.
Nó có hạn chế do thời gian xác lập đáp ứng, tần số công tác càng cao thì càng bị hạn chế vì S, tA tăng theo CD Đặc tính xác lập của LED b §iot LD.
Thành phần dòng chảy trên RD để xác định công suất là iR(f)= Với độ sâu điều biến là Ss(f)=.
Hàm chuẩn hóa Ss * = có giá trị tuyệt đối của biên độ là :
Khi fo1 Cũng từ đaay có thể thấy rằng ,trong khi dòng tín hiệu tỷ lệ với M ,thì độ tăng dòng nhiễu l- ợng tử nhanh hơn theo tỷ lệ M(1+a); nh vậy khi nhiễu lợng tử chiếm u thế (giá trị σ cao ) thì khoong nên sử dụng các diode thác quang APD.
Ta tính độ tiết kiệm công suất quang thu đợc cực đại Δ Pmax bằng diode thác quang so với diode PIN từ (5.6) ,lập tỷ số Pr tính đợc đối với M=1,và Pr đối với M = Mopt, chúng ta sẽ có : Δ Pmax a a
Vì Mopt không phụ thuộc vào độ rộng băng tần nên Δ P max không phụ thuộc vào độ rộng băng tần.
Từ các mỗi tơng quan tớc đây , ta nhận thấy rằng :chất lợng bộ khuếch đại càng thấp ( δo FC cao ) hoặc diode quang càng tốt (a nhỏ ), thì các diode thác quang APD càng có thể đạt tới độ tiết kiệm công suất tốt hơn , thậm chí nếu yêu cầu các giá trị Mopt cao hơn ,kết quả là ,nếu chọn đợc một diode thác quang APD nhiễu khá tháp thì có thể bù đợc phần nào đối với việc thiết kế bộ khuếch đại có độ chính xác thấp :u điểm diode thác quang APD giảm theo σ cao thì u điểm đó không còn nữa Đối với các hệ thống thông tin số truyền truyền hai mức ,yêu càu σ khoảng 23 dB ,thì khả năng tiết kiệm δo FC = 1pF vào khoảng 13 dB ; tăng ích thác cần thiết khoảng 34dB, đó là giá trị ở dới giá trị cực đại có thể đạt đợc(40-50 dB).
Thay (5.7) vào (5.6) có thể tính công suất thu tối thiểu yêu cầu đối với một σ mong muèn
2 Các ảnh hởng a ảnh hởng của điều chế nguồn không hoàn hảo
Nh chúng ta đã biết ,trong các nguồn quang, ngay cả khi không có tín hiệu điện kích thích thì ánh sáng phát ra của nó không hoàn toàn tắt hẳn. Trong nhiều trờng hợp ngời ta còn tạo ra một định thiên ban đầu thích hợp t- ơng đơng với nền để các nguồn sáng làm việc trong vùng đặc tính truyền đạt đạt tuyến tính và băng tần của rộng hơn.
Giả thiết rằng khi không có tín hiệu vào, công xuất quang đợc phát ra bằng một phần γ giá trị đỉnh Pt Lúc đó công suất phát trung bình là:
1−γ ].Pt (5.10) ở máy thu, công suất tín hiệu thu đợc trung bình Prs tỷ lệ với biên độ tín hiệu ở điểm quyết định liên quan đến tổng công suất trung bình Pr,tỷ lệ với giá trị trung bình bình phơng của nhiễu lợng tử.
(5.11) Đa ( 5.5 ) vào ( 5.1 ),ta rút ra rằngcác mối tơng quan và các đồ thị trức đây vẫn còn đúng ngay cả lúc tồn tại một nền ánh sáng,lúc đó chỉ cần thay σ bằng σ ’ : σ ’= [1+2 γ /(1- γ ).dc] σ (5.12) Bình thờng γ khoảng 0,1 ; trong trờng hợp chung dc= 0,5 σ ’ , cao hơn σ là 3,2 dB. b ảnh hởng của nhiệt độ
Thiết kế hệ thống
Với những chỉ tiêu kĩ thuật đã cho và các kinh kiện hệ thống sẵn có, hệ thống đợc xác định lần đầu tiên.
Nếu hệ thống không thoả mãn các tham số thiết kế thì hệ thống sẽ không đợc thiết kế lại bằng cách chọn các thiết bị khác.
* Phơng pháp cơ bản đợc sử dụng trong hệ thống sợi quang là: Thiết kế theo quỹ công suất, thiết kế theo quỹ thời gian lên của xung Việc thiết kế phải thoả mãn cả hai quỹ này.
* Các bớc thiết kế tuần tự nh sau:
- Thiết kế hệ thống theo quan điểm thời gian lên của xung để đảm bảo độ réng b¨ng tÇn.
- Thiết kế hệ thống theo quan điểm quỹ công suất.
Tại bất cứ điểm nào, nếu hệ thống không thảo mãn các tham số thiết kế, viịec lựa chọn lại các thiết bị đợc tiếp tục.
Việc tạo ra các tổ hợp nguồn sáng - sợi quang - tách quang phải tuân theo các nguyên tắc sau:
- LED không đợc sử dụng với sợi đơn mốt.
- LED thờng không đợc sử dụng với diotde APD.
- Diot laser không đợc sử dụng với sợi đa mốt.
- Laser đơn mốt thờng đợc sử dụng với APD.
- Laser đơn mốt không hoạt động ở bớc sóng 800 nm.
Sau khi xem xét đặc điểm các loại sợi, nguồn sáng, bộ thu quang, ta có thể thiết kế hệ thống một cách rễ ràng và đúng đắn. a Thiết kế quỹ thời gian lên của xung.
Nếu tín hiệu là NRZ: ts = 0,7/ RNRZ.
Nếu tín hiệu là NZ: ts = 0,35/ RRZ.
Trong tín hiệu RNRZ và RRZ là tốc độ tín hiệu (Bit/ s). b Sự phân phối quỹ thời gian lên của hệ thống
Quỹ thời gian của hệ thống, t 2 s = t 2 ls + t 2 fb + t 2 pd.
Trong đó: tls: thời gian tăng trởng của nguồn phát tfb: thời gian tăng trởng của sợi tpd: thời gian tăng trởng của photodiode LED có thời gian tăng trởng lớn, còn diot laser có thời gian tăng trởng nhỏ và tăng hẹp.
Thời gian tăng trởng của sợi đợc tính bởi công thức.
Trong đó Di là độ dãn xung do tán sắc mốt
Dmw là độ dãn xung do tán sắc vật liệu và sợi dẫn quang: Dmw= (- Mm+Mw).L. Với Mm,Mw là tán sắc vật liệu và tán sắc sọi dẫn quang. Các linh kiện phù hợp sẽ đợc lựa chọn sao cho chúng thoả mãn quỹ thời gian lên của chúng Sau đó chúng thực hiẹn các bớc tiếp theo. c Thiết kế quỹ công suất.
Thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu: Pt-(LCP+LCT+LSP+Lfb+MARG)>=Srec. Trong đó Pt là công suất của nguồn quang.
LCT suy hao sợi khi nối sợi vào sợi
LCP suy hao khi nguốn sáng đợc ghép vào sợi quang
LSP suy hao của một mối hàn
Lfb Tổng suy hao của sợi
Marg là dự trữ của hệ thống.
Srec là độ nhạy tối u
2 Sự lựa chọn tối u của hệ thống
Sự lựa chọn một kiểu tối u một kiểu hệ thống truyền dẫn thờng đợc lựa chọn trên sự so sánh các chi phí giữa hệ thống cáp đồng , viba, cáp sợi quang.
Hệ thống cáp đồng sử dụng ở tốc độ thấp.
Phần chi phí lớn nhất của hệ thống của cáp quang là cáp và các chi phí lắp đặt, có thể chiếm tới 80 >90% giá thành.
Mạng viễn thông công cộng thờng đợc chia thành 3 phần:
Hiện nay cáp quang sử dụng là mạng trung kế.
Trong tơng lai, khi mật độ điện thoại tại một số khu vực lên cao (vài nghìn máy atị các khu nh Kim liên, Châu quỳ, )và nhu cầu về thông tin đa dịch vụ tổng hợp ,để đảm bảo lu lợng đờng truyền, việc sử dụng cáp quang cho mạng thuê bai sẽ trở thành cần thiết và lúc đó, việc tính toán tối u của hệ thống nguồn sáng- sợi quang- tách quang với giá thành hợp lýcho từng khu vực của mạng nội hạt sẽ có ý nghĩa lớn.