Các giao thức truyền thông tin

Tài liệu với nội dung về các giao thức truyền thông tin

Chơng Hệ thống thông tin quang 3.1 Hệ thống thông tin sợi quang 3.1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Cấu trúc hệ thống thông tin quang mô tả hình 3.1 Tất tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối, số liệu fax đa đến đợc biÕn ®ỉi sang tÝn hiƯu quang qua mét bé biÕn đổi điện quang E/O (các mức tín hiệu điện đợc biến đổi thành cờng độ sáng) Các tín hiệu điện nhị phân "0" "1" đợc biến đổi ánh sáng dạng "không" "có" sau đợc gửi vào cáp quang Các tín hiệu truyền qua sợi quang công suất bị giảm dạng sóng (độ rộng xung) bị dÃn Nếu công suất dạng sóng đến nơi nhận (với khoảng cách xác định) bảo đảm mức độ quy định, đợc đa đến bé biÕn ®ỉi quang-®iƯn O/E Bé biÕn ®ỉi quang-®iƯn sÏ biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu máy điện thoại, fax để gửi Tín hiệu đà khôi phục đợc truyền đến thiết bị đầu cuối chặng truyền dẫn Hình 3.1: Cấu hình hệ thống thông tin sợi quang Bộ biến đổi điện-quang E/O linh kiện phát quang nh diode phát quang (LED) hay laser diode Bé biÕn ®ỉi quang-®iƯn O/E chÝnh photo diode Khi khoảng cách truyền dẫn trạm nguồn đích lớn giới hạn quy định (đối với loại sợi quang) tín hiệu bị biến dạng suy giảm tới mức khó hồi phục lại xác Lúc cần có trạm lặp (repeater: tiếp sức) đờng truyền để bảo đảm, tín hiệu trạm đích hồi phục xác Các trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện, dùng khuếch đại điện tử khuếch đại lên sửa dạng nh tín hiệu điện ban đầu Tín hiệu qua biến đổi ®iƯn- quang 50 E/O, thµnh tÝn hiƯu quang vµ tiÕp tục đợc truyền qua sợi quang tới đích Tóm lại việc sửa dạng tăng cờng công suất tín hiệu quang đợc thực phơng pháp điện 3.1.2 Đặc điểm thông tin sợi quang Hệ thống thông tin quang có nhiều u điểm hệ thống sử dụng cáp đồng sử dụng đặc tính sợi quang, linh kiện thu quang phát quang Sợi quang có u điểm sau: - Suy hao cáp quang thấp nhiều so với cáp kim loại - Cáp sợi quang hoạt động tần số cao so với cáp kim loại, độ rộng băng lớn nhiều - Kích thớc nhỏ, trọng lợng nhẹ cáp đồng.Cùng kích thớc nh cáp kim loại, cáp sợi quang chứa số lõi sợi quang lớn số lõi sợi kim loại nhẹ nhiều Do việc lắp đặt cáp đơn giản - Do sợi quang cấu trúc chất cách điện nh thủy tinh chất dẻo, nên chống nhiễu cao, chúng không chịu ảnh hởng điện từ trờng Không chịu tác dụng môi trờng nh nhiệt độ, độ ẩm hóa học Do thuận lợi cho cáp xuống môi trờng biển Các biến đổi O/E E/O có u điểm sau: - Có khả biến đổi O/E E/0 tốc độ cao, nên sử dụng thuận lợi thông tin tốc độ cao băng rộng - Hiệu suất biến đổi quang-điện cao kích thớc lại nhỏ - Các linh kiện phát xạ công suất quang lớn, độ nhạy máy thu cao, nên cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn Mặc dù hệ thống thông tin sợi quang gặp phải hai khó khăn bản: giá thành xây dựng hệ thống cao, kỹ thuật lắp đặt đòi hỏi khắt khe (khớp nối sợi quang) đòi hỏi trình độ chuyên nghiệp cao, song đợc phát triển nhanh quan tâm nhiều Thông tin quang nh phân tích tóm tắt lại u điểm chính: - Có thể cho phép khoảng cách trạm tới vài chục km Một số tuyến điện thoại liên lạc trực tiếp không cần trạm lặp Nó thích hợp với thông tin khoảng cách lớn, địa hình phức tạp, núi cao biển sâu - Khối lợng thông tin thực lớn, tốc độ truyền tải lớn Cho phép thực nhiều dịch vụ nh truyền hình số, nhiều dịch vụ mà cáp điện không thực đợc - Tính chỗng nhiễu cao bảo mật tốt hai yêu cầu quan trọng thông tin Ngời ta đà tính toán vỊ kinh tÕ sư dơng hƯ thèng sỵi quang để thông tin, thực tế hiệu nhiều so với sử dụng cáp điện Bởi lẽ hệ thống bền, hỏng hóc, tồn lâu, hiệu truyền tin lại lớn Thậm chí mạch điện thoại chung c cho thấy hiệu kinh tế hệ thống 3.2 Đặc điểm ánh sáng thông tin sợi quang 3.2.1 Phổ điện tử ánh sáng dùng mạng sợi quang loại lợng điện từ Năng 51 lợng dới dạng sóng lan truyền chân không, không khí xuyên qua vài dạng vật liệu nh thñy tinh v.v… Mét thuéc tÝnh quan träng cña bÊt kỳ sóng lợng vào bớc sóng khoảng cách sóng lan truyền đợc chu kỳ T Tất sóng từ giải radio, sóng viba, radar, ánh sáng nhìn thấy, tia X, tia gamma sóng điện từ Tập hợp tất sóng điện từ, từ bớc sóng dài đến bớc sóng ngắn gọi phổ điện từ Tất chúng lan truyền chânkhông với vận tốc C=300.000 km/s (chính xác 2,9979 x 108/s) Trong môi trờng có chiết suất khúc xạ n, vận tốc ánh sáng v=c/n; môi trờng không khí coi chiết suất khúc xạ n=1 Giải sóng từ 400nm đến 700 nm ¸nh s¸ng nh×n thÊy (1nm=10-9m) ¸nh s¸ng cã b−íc sãng lớn gần 700nm có mầu đỏ Các sóng mà mắt không nhìn thấy đợc dùng để truyền liệu có bớc sóng lớn 700nm chút, đợc gọi hồng ngoại Bớc sóng ánh sáng dùng để truyền liệu sợi quang 850nm, 1310nm, 1550nm Các bớc sóng truyền sợi quang tốt bớc sóng khác 3.2.2 Cách lan truyền ánh sáng sợi quang Sóng điện từ phát từ nguồn, chúng di chuyển theo đờng thẳng Các đờng thẳng từ nguồn gọi tia Các tia sáng truyền thẳng môi trờng đồng (chiết suất n đồng nhất) bị phản xạ khúc xạ biên ngăn cách hai môi trờng có chiết suất n khác Sự truyền thẳng, khúc xạ phản xạ đặc tính ánh sáng Đặc điểm quan trọng vận tốc truyền ánh sáng giảm chiết suất tăng n2 n1 i A a) Tia tíi tia khóc x¹ r B b) Hiện tợng phản xạ Hình 3.2 Tia sáng qua miền có chiết suất khác Giả sử có tia tới A từ môi trờng có chiết suất n1, qua môi trờng có chiết suất n2 với n1>n2 Khi qua biên hai môi trờng, bị lệch hớng tạo tia khúc xạ B Gọi i góc tới, t góc phản xạ, theo định luật khúc xạ ta có: n1=sini=n2sint (3.1) n1>n2 nên t>i Nếu tăng i t tăng, i tăng đến lúc t=90o, xảy tợng phản xạ toàn phần, tia sáng không vào môi trờng có chiết suất n2 mà bị phản xạ trở lại Góc tới tơng ứng với lúc bắt đầu xảy tợng toàn phần gọi góc tới hạn c Từ (3.1) ta có n1sinc=1 Kể từ tia tới A tạo tia phản xạ B với góc phản xạ r=i Hình 3.3 mô tả cấu trúc sợi quang, bao gồm môi trờng (chất điện môi) gọi lõi, lõi đợc bao quanh chất điện môi khác, gọi vá, cã chiÕt st nhá h¬n chót Ýt so víi lõi Trong hệ thống thông tin sợi quang, ánh sáng đợc truyền theo suốt sợi quang giới hạn lõi có tợng phản xạ toàn phần 52 Hình 3.3 ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn lõi 3.2.3 Nguồn sáng sử dụng thông tin sợi quang ánh sáng sóng ngang dao động vuôn góc với phờng truyền sóng ánh sáng lan truyền môi trờng ®ång nhÊt lµ sãng ®iƯn tõ cã c−êng ®é ®iƯn trờng từ trờng thay đổi theo phơng vuông góc với phơng sóng lan truyền Tập hợp tất ®iĨm cã cïng mét c−êng ®é ®iƯn tr−êng t¹i mét thời điểm tạo mặt đẳng pha ánh sáng lan truyền sợi quang dựa nguyên tắc phản xạ toàn phần mặt biên Muốn tồn đợc, chúng phải nguồn sáng kết hợp Để hiểu tính kết hợp nguồn sáng, ta xét sóng ngang lan truyền dọc theo sợi dây bị ghim cố định hai đầu hình 3.4 Từ hình 3.4 cho thấy sóng bị giới hạn hai biên, sau lặp lại phản xạ sóng lan truyền theo hớng ngợc lại chồng lên sóng khác (hình 3.4.a 3.4.b) Hiện tợng sóng chồng lên sóng gọi giao thoa Trong trờng hợp biên độ sóng đợc tăng lên giao thoa Nếu gọi l chiều dài sợi dây, trờng hợp hình 3.4.a tơng ứng với l=/2, hình 3.5.b tơng ứng với l=2/2 Còn trờng hợp hình 3.4.c tơng ứng với ln/2 (n=1,2,3) Các sóng phản xạ không chồng lên Chúng có pha dao động khác điểm dây Chúng triệt tiêu đến mức biên độ sóng thu đợc giảm tới giá trị VËy tháa m·n ®iỊu kiƯn: l=nλ/2 (víi n=1,2,3…) (3.2) tức độ dài sợi dây bội số nguyên lần nửa bớc sóng sóng đợc trì tạo sóng đứng Cách dao động dây tơng ứng với sóng đứng gọi mode dao động dây Hai đầu dây (hình 3.4.a) với trung điểm dây (hình 3.4.b) gọi nút sóng đứng Tại nút này, biên độ dao động nút không chuyển dịch theo thời gian Diode phát quang (LED) laser diode(LD) tạo nên nguồn sáng pha nhân tạo, phát xạ ánh sáng cỡng nguyên tử pha ánh sáng mà có sóng pha với sóng khác theo mặt thẳng đứng với phơng truyền sóng đợc gọi ánh sáng kết hợp không gian ánh sáng LED LD tạo ánh sáng kết hợp không gian, đóng vai trò quan trọng, sợi quang truyền tải tín hiệu mode truyền dẫn lõi chịu ảnh h−ëng cđa giao thoa ¸nh s¸ng ph¸t tõ c¸c đèn thông thờng, tính kết hợp không gian, nên dùng cho thông tin quang Ngoài tính kết hợp không gian, yếu tố khác để tăng tính kết hợp ánh sáng, bớc sóng Một ánh sáng liên tục có bớc sóng đơn đợc coi kết hợp miền thời gian ánh sáng có tính kết hợp miền thời gian, tợng giao thoa tăng thêm 53 Các ánh sáng phát từ đèn điện thờng ánh sáng trăng không đơn sắc (gồm màu) nên tính kết hợp thời gian ánh sáng có tính kết hợp miền không gian thời gian ánh sáng phát từ laser Không nguồn sáng tự nhiên có tính kết hợp không gian, thời gian nh ánh sáng laser Hơn nữa, đa ánh sáng vào sợi quang, nhiễm xạ, tia sáng có xu hớng tỏa Dïng tia laser cho qua mét thÊu kÝnh, cã mức tập trung cao, thuận lợi đa ánh sáng vào cáp sợi quang có đờng kính nhỏ Các tín hiệu thông tin quang ngày tín hiệu điều biên (thay đổi cờng độ sáng) Việc chế tạo đợc LD có tính kết hợp thời gian cao, đợc thực điều pha, tạo công nghệ thông tin dung lợng siêu lớn Dng sóng thu chồng chất a) phương thức b) dạng sóng thu chồng chất Dạng sóng thu chồng chất 3 Sóng bên phải Sóng bên trái Tại điểm buộc chặt, sóng đưa tới bị loại trừ có tượng phản xạ c) trường hp khụng to súng ng Hình 3.4 Sóng đứng sinh sợi dây đầu cố định 3.3 Sợi quang 3.3.1 Sợi quang cách lan truyền ánh sáng sợi quang Sợi quang 54 Sợi quang sợi mảnh dẫn ánh sáng, bao gồm hai chất điện môi suốt khác (điện môi nh thủy tinh nhựa) Một phần (nằm sợi) cho ánh sáng truyền gọi lõi, phần lại lớp nh bao quanh lõi Sợi quang đợc cấu tạo cho ánh sáng đợc truyền dẫn lõi sợi, phơng pháp sử dụng tợng phản xạ toàn phần Hiện tợng đợc tạo nên cấu trúc lớp phủ có chiết suất nhỏ lõi khoảng (0,2ữ0,3) Đờng kính lớp phủ khoảng 0,1 mm, lõi có đờng kính nhỏ nhiều, cỡ từ 10 đến 60 àm So với bớc sóng truyền tải, lớn khoảng vài chục lần Đờng kính đợc xác định tùy theo yêu cầu truyền dẫn đặc tính học Đờng lan truyền ánh sáng sợi quang ¸nh s¸ng tõ nguån ph¸t quang bÞ khuÕch t¸n nhiễu xạ Muốn đa ánh sáng vào sợi quang cần phải đợc tập trung lại Tuy nhiên tất ánh sáng tập trung đa vào sợi mà phần có góc tới nằm giới hạn định đa vào Hình 3.5 Góc nhận sợi quang Tại điểm đa ánh sáng vào sợi quang, chia thành môi trờng liền nhau, có chiết suất khác Đó môi trờng không khí, lõi lớp phủ, tơng ứng với chiÕt suÊt n0=1, n1, n2 Gäi gãc nhËn lín nhÊt max, góc mở tia tới số (2) tia tạo tia tới hạn, có góc tới hạn c (tại mặt phân cách lõi lớp phủ) Tại biên không khí lõi, lõi lớp phủ, theo định luật khúc xạ có: sinmax=n1c sin(90 o − θ c ) = cos θ c = n2 n1 n1n2, góc mở lớn là: (3.3) sin θ max = n12 − n 22 = n1 2∆ Víi ∆ = n1 − n lµ ®é lƯch chiÕt st t−¬ng ®èi n1 sinθmax cho ta biết điều kiện đa ánh sáng vào sợi quang Nó thông số định đến hiệu suất ghép nối nguồn sáng sợi quang: ví dụ: n1=1,475; n2=1,46 (độ lệch chiết suất tơng đối 1%) sinmax=0,21 Nếu biết đờng kính lõi sinmax, xác định đợc lợng ánh sáng vào lõi sợi 55 3.3.2 Mode lan truyền ánh sáng sợi quang Các tia sáng đa vào sợi quang với góc nằm góc mở lớn sợi đợc truyền dọc theo lõi sợi cách lặp lại phản xạ toàn phần biên lõi lớp phủ Nhng góc phản xạ biên phải thỏa mÃn điều kiện định, có giao thoa sóng ánh sáng Thực tế, lõi sợi quang có cấu trúc hình trụ, nhng để tiện khảo sát, ta coi chúng hình ống vuông Sự phản xạ biên quan sát đợc qua đờng tia sáng hình Vì phân bố điện từ có dạng giống nhau, ta xét phân bố điện trờng suy từ trờng tơng ứng Khi xét đến mặt đẳng pha điện trờng có số mặt đẳng pha tơng ứng với ánh sáng tới số tơng ứng với sóng phản xạ, chúng chồng lên hình 3.5.b Vì ánh sáng tới phản xạ giao thoa xa có cờng độ điện trờng hớng biên biến đổi lợng băng bội n chu kỳ, chu kỳ ánh sáng qua khoảng cách n /2 (n=1,2,3 ) Trái lại, với tia sáng có góc nằm khoảng < < không tạo sóng đứng Bởi góc phản xạ cho phép ánh sáng truyền sợi quang bị giới hạn số giá trị định Đờng truyền ánh sáng, tạo cho ánh sáng lan truyền đợc sợi quang, tơng ứng với góc phản xạ xác định, nh phân bố điện trờng xác định đợc góc mode lan truyền Mode lan truyền đờng mà tia sáng theo sợi Số lợng mode lan truyền bị giới hạn điều kiện phản xạ toàn phần phân bố điện trờng xác định Các mode có tên lan truyền bậc 0, bậc 1, bậc bậc (N-1), theo trình tự góc nhỏ 3.3.3 Số lợng mode lan truyền bớc sóng cắt Nếu gọi số mode lan truyền sợi quang N, mode lan truyền bậc cao (N-1), tơng ứng với góc phản xạ gần góc tới hạn Nếu gọi góc tới hạn c số lợng 2a sin θ c ≥ N mode lan trun lín N phải thoả mÃn điều kiện [N = 0,1, ( N − 1)] (3.4) Trong ®ã θ c đợc tính theo (3.1) sin max sin c = = n1 vì: = nên: N n12 n22 n1 λ0 n1 4a λ0 (3.5) n12 − n22 Tõ (3.5) cho thÊy sè mode lan trun phơ thc vµo kÝch th−íc a cđa lâi, b−íc sãng lan trun chênh lệch chiết suất n1, n2 Khi tÝnh theo biĨu thøc (3.5), sÏ lÊy N lµ số nguyên gần với kết Ví dụ 1: cho n1=1,475; n2=1,46; 2a = 50 µm ; sÏ tÝnh đợc N=16 56 = 1,3àm Sợi quang có số lợng mode lan truyền nhiều (lớn 1) nh đợc gọi sợi đa mode Ví dụ 2: cho n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm ; λ = 1,3µm N=1 Trờng hợp tồn mode lan trun bËc 0, sỵi quang chØ cã mét mode lan truyền gọi sợi đơn mode Đối với sợi quang đà cho, tức có n1, n2, a xác định, số mode lan truyền N phụ thuộc vào bớc sóng Do sợi quang đợc sử dụng nh sợi đơn mode bớc sóng này, bớc sóng ngắn hơn, không sợi đơn mode Bớc sóng nhỏ mà sợi quang làm việc nh sợi đơn mode đợc gọi bớc sóng cắt ký hiệu c c đợc tính theo phơng tr×nh sau: (3.6) λc = 4a n12 − n 22 Tính toán áp dụng cho trờng hợp ống dẫn sóng vuông (phẳng), thực tế ống dẫn sóng hình trụ, thì: c = a n1 n 2,405 (3.7) Bớc sóng cắt thông số bản, đặc trng cho sợi quang đơn mode Ví dụ 3: sợi quang có thông sè: n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm sÏ cã λc = 1,22 àm Sợi quang sử dụng nh sợi đơn mode với bớc sóng c < 1,22àm 3.4 Phân loại cấu trúc sợi quang 3.4.1 Phân loại sợi quang Sợi quang đợc phân loại theo cách sau đây: Theo vật liệu sử dơng, theo mode trun dÉn, theo ph©n bè chiÕt st Phân loại theo vật liệu điện môi: Theo vật liệu điện môi sử dụng sợi quang gồm loại: Sợi quang thạch anh Sợi quang thạch anh chứa thạch anh nguyên chất (SiO2), mà có tạp chất thêm vào nh Ge, B F v.v để làm thay đổi đọ chiết suất khúc xạ Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu, chứa thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh thủy tinh boro-silicat v.v Sỵi quang b»ng nhùa: vËt liƯu sản xuất sợi quang nhựa, silicon resin, acrelic resin (tức polymethyl metha crylate: PMMA), thờng đợc sử dụng nhiều Đối với mạng lới viễn thông, sợi quang thuỷ tinh thạch anh đợc dùng nhiều nhất, có khả cho sản phẩm có độ suy hao nhỏ, đặc tính truyền dẫn ổn định thời gian dài Các sợi nhựa thờng đợc sử dụng nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó cáp máy móc, thuận tiện sử dụng lắp đặt thủ công (dễ hàn, không phơng hại bị bẻ cong) loại có đặc tính truyền dẫn 57 Phân loại theo mode lan truyền Nh phân tích trên, sợi quang xác định, bớc sóng dài, hoạt động theo mode lan truyền đơn mode, nhng bớc sóng ngắn bớc sóng cắt c , sợi quang lại hoạt động nh sợi đa mode Vì đứng mặt nguyên tắc coi sợi đa mode, sợi đơn mode Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại sử dụng thông tin sôi bớc sóng: 850nm, 1310nm, 1550nm (1nm=10-9m) Mặt khác đờng kính lõi sợi quang nằm khoảng từ 8,5 àm đến 100 àm Vì thực tế, ngời ta chia sợi quang thành loại: đơn mode đa mode Sợi quang đa mode Nh ta đà biết phần sợi quang , mà qua ánh sáng di chuyển đợc gọi lõi sợi Các tia sáng vào lõi, nÕu gãc cđa nã n»m ph¹m vi gãc tíi hạn sợi Khi tia sáng đà vào lõi, có số đờng mà tia sáng theo đờng đợc gọi mode Nếu ®−êng kÝnh cđa lâi ®đ lín, ®Ĩ cã nhiỊu ®−êng đi, mà tia sáng theo sợi quang nh đợc gọi sợi đa mode Sợi đơn mode cã ®−êng kÝnh ®đ nhá, cho chØ cho phép tia sáng di chuyển theo đờng bên sợi Thông thờng có phần cấu tạo thành cáp sợi quang Phần lõi sợi phần tử truyền dẫn ánh sáng nằm cáp Tất ánh sáng qua lõi Lõi đợc làm nhựa thủy tinh Bao quanh lõi lớp phủ làm thủy tinh nhựa nhng với hệ số chiết suất khúc xạ nhỏ Cáp quang đa mode tiêu chuẩn loại đợc dùng phổ biến LAN Cáp quang đa mode dùng sợi có đờng kính lõi 62,5 hay 50 micron lớp phủ có đờng kính 125 micron Các loại đợc gọi 62,5/125 hay 50/125 Nguồn sáng sử dụng với sợi đa mode nguồn phát từ diode phát quang (LED) hồng ngoại, hay laser xạ bề mặt LED rẻ an toàn laser, nhng LED cho phép truyền ánh sáng xa laser Sợi đa mode truyền tín hiệu xa đến km Sợi quang đa mode lại chia làm hai loại: Loại có chiết suất thay đổi rõ ràng lõi lớp phủ thành bậc loại có chiết suất thay đổi dẫn từ tâm lõi đến biên giới lớp phủ Chiết suất miền gần tâm lõi lớn nhất, giảm dần biên Đối với sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc biên lõi lớp phủ: Hình 3.6a Sợi quang đa mode có n nhẩu bậc tia sáng truyền Trong trờng hợp tia s¸ng 1,2,3 ph¸t tõ mét xung ¸nh s¸ng hẹp theo đờng khác Đờng tia gấp khúc nhất, nên đến đích với độ dài ngắn nhất, nên đến sớm Các tia theo đờng gấp khúc nhiều hơn, quÃng đờng đến đích xa hơn, nên đến chậm Tia đến đích chậm Kết từ 58 xung ánh sáng hẹp từ nguồn phát đi, đích nhận đợc xung có độ rộng lớn bị biến dạng Đối với sợi đa mode, có chiết suất, giảm dần từ tâm lõi biên: Cấu trúc đợc mô ta cụ thể hình 3.6b: Hình 3.6b Lõi có chiết suất thay đổi dần đờng tia sáng giả sử tia tơng ứng với mode thấp nhất, phản xạ miền gần trục tâm lõi Tia có góc mở lớn hơn, không phản xạ lớp mà phản xạ lớp Tia có góc mở lớn nữa, phản xạ biên lõi lớp phủ Ta biết tốc độ lan truyền sóng tỉ lệ nghịch với chiết suất n Tia quÃng đờng ngắn nhÊt, nh−ng trun mäi tr−êng chiÕt st lín nhÊt, tèc ®é trun nhá nhÊt Tia ®i qu·ng ®−êng xa nhÊt nh−ng tèc ®é trun lín nhÊt NÕu biÕn đổi chiết suất thích hợp tia đến ®Ých cïng mét thêi gian mỈc dï ®i qu·ng ®−êng khác Dạng chiết suất thay đổi phân bố theo dạng gần nh parabol, có độ lệch thời gian tia nhỏ Các sợi đa mode có vỏ bọc màu da cam, nhng có màu khác Sợi đơn mode Sợi đơn mode có thành phần cấu thành giống nh sợi đa mode Vỏ sợi đơn mode thờng có màu vàng Khác biệt chủ yếu hai loại sợi đơn đa mode sợi đơn mode cho mode sáng lan truyền qua lõi có đờng kính nhỏ nhiều Lõi sợi đơn mode có đờng kính µm vµ líp phđ 125 µm , víi cÊu tróc đợc coi 9/125 Nguồn sáng sử dụng với sợi đơn mode chủ yếu laser hồng ngoại Tia sáng vào lõi với góc hẹp Các xung ánh sáng mang liệu sợi đơn mode đợc truyền chủ yếu theo đờng gần thẳng vào lõi Điều gia tăng nhiều tốc độ cự ly thông tin Với kết cấu đựac biệt nh vậy, sợi đơn mode có tốc độ truyền số liệu cao cự ly thông tin lớn nhiều so với sợi đa mode Sợi đơn mode có thĨ trun sè liƯu xa hµng chơc km Nh−ng laser sợi đơn mode đắt LED sợi đa mode Cáp sợi quang có thành phần cấu thành, bao gồm: lõi, lớp phủ, lớp đệm, vật liệu giữ bền vỏ cáp bảo vệ Lõi lớp phủ làm thủy tinh, nhựa Xung quanh lớp phủ vật liệu đệm, thờng nhựa nhằm bảo cho lõi lớp phủ không bị h hỏng Bao quanh lớp đệm vật liệu bền để tránh giÃn cáp khi kéo sợi cáp để lắp đặt Vật liệu bền thờng kevlar Vỏ bọc nhằm chống trầy xớc h hỏng khác 3.4.2 Các tham số sợi quang Các tham số để xác định cấu trúc sợi quang đờng kính lõi sợi, đờng kính 59 lớp bao (đờng kính vỏ) độ số (NA) v.v Chúng đợc gọi thông số cấu trúc sợi quang Các thông số ảnh hởng đến số đặc tính khác sợi quang nh suy hao quang, độ rộng băng truyền dẫn, sức bền khí, đấu nối sợi quang, v.v Thêm vào đó, có thông số phụ khác nh tỉ số không đồng tâm, tỉ số không tròn Tuy ảnh hởng đến đặc tính truyền dẫn nhng chúng lại ảnh hởng lớn đến suy hao hàn nối sợi quang Có bốn thông số xác định cấu trúc loại sợi quang đa mode đờng kính lõi sợi, đờng kính lớp vỏ, độ số (NA) dạng phân bố chiết suất khúc xạ (xem hình 3.7) Khi định giá trị thông số này, ta phải ý đến ảnh hởng thông số đến tính chất sợi quang nh hình 3.8 Hình 3.8 Các thông số cấu trúc sợi đa mode Hình 3.8 Các đặc trng thông số cấu trúc sợi quang Tơng phản với cấu trúc sợi quang đa mode đợc xác định bốn thông số đề cập tới trên, cấu trúc sợi quang đơn mode đợc xác định ba thông số nh sau: thông số trờng mode, đờng kính lớp vỏ bớc sóng cắt Lý để giải thích sử dụng tham số trờng mode thay đờng kính lõi sợi cho thông số cấu trúc sợi quang đơn mode đợc trình bày dới dây: Đờng kính trờng mode đờng kính diện tích tròn phần 60 rìa cắt ngang sợi có mật độ ánh sáng 1/e (e hệ số logarit tự nhiên băng 2.71828) đạt giá trị lớn (thờng đạt đợc tâm lõi sợi) theo phân bố mật độ ánh sáng nh hình 3.7 Hình 3.9 Đờng kính trờng mode Vì sợi quang đơn mode có đờng kính lõi chênh lệch chiết suất khúc xạ nhỏ, việc xác định cách rõ ràng biên lớp lõi vỏ theo phơng pháp quang khó khăn Để thn tiƯn, chóng ta sư dơng ®−êng kÝnh mode, mét thông số bắt nguồn từ phân bố lợng ánh sáng Loại Sợi quang chiết suất biến Sợi quang đơn mode Các số đổi Bớc sóng sử dụng a) 0.85 µm a) 1.3 µm b) 1.3 µm b) 1.55 µm §−êng kÝnh lâi 50 µm ± 6% §−êng kÝnh trờng mode 900~àm 10% Bớc sóng cắt 1.10~1.28 àm 2.4% Đờng kính lớp vỏ 125 àm 2.4% 125 àm 2.4% Tỷ lệ đồng tâm số 6% 0.5~3.0 àm đồng tâm Tỷ lệ không tròn lõi 6% Tỷ lệ không tròn vỏ 2% 2% Khẩu độ số (NA) a) 0.18~0.240.02 (0.85 àm) b) 0.15~0.300.02 (1.3 àm) 3.5 Các đặc tính sợi quang 3.5.1 Suy hao sợi quang Để xác định tốc độ truyền dẫn khoảng cách trạm lặp hệ thống thông tin quang sợi, có hai tham số phải nghiên cứu suy hao quang độ rộng băng truyền dẫn Đo suy hao quang để xác định suy hao công suất ánh sáng lan truyền sợi quang Nếu suy hao nhỏ cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn Suy hao quang tạm phân chia thành hai loại, thứ suy hao tuý sợi quang, thứ hai suy hao phụ lắp đặt vận hành hệ thống Các nguyên nhân gây suy hao đợc giải thích nh sau: 61 Suy hao hấp thụ: Gièng nh− mét chiÕc rÌm ®en cã thĨ hÊp thơ ¸nh s¸ng rÊt tèc, ¸nh s¸ng lan trun sỵi quang bị hấp thụ vật liệu sợi đợc biến đổi thành nhiệt gây nên suy hao quang mà không lọt ánh sáng Suy hao gäi lµ suy hao hÊp thơ Nãi chung, suy hao hấp thụ đợc phân chia thành hai loại, thân sợi quang, thứ hai có tạp chất thuỷ tinh làm sợi quang Trong suy hao tuý thân vật liệu thủy tinh có suy hao hÊp thơ cùc tÝm vµ suy hao hÊp thơ hång ngo¹i Suy hao hÊp thơ cùc tÝm cã đỉnh hấp thụ bớc sóng khoảng 0,1 àm , hấp thụ hồng ngoại khoảng bớc sóng 10 m Do loại suy hao giảm nhanh bớc sóng bớc sóng hấp thụ đỉnh, vậy, suy hao đạt giá trị bé giải bớc sóng từ 1,0 àm đến 1,6 àm Trong giai đoạn đầu phát triển sợi quang, tạp chất gây nên suy hao ion kim loại nh ion sắt, đồng v.v Tuy nhiên, kỹ thuật làm giảm suy hao đà có tiến vợt bậc, bây giê chđ u lµ ion (OH-) Chóng ta cã thĨ nói lịch sử phát triển sợi quang với suy hao thấp làm giảm suy hao hấp thụ ion kim loại ion hydroxyl gây nên Suy hao tán xạ rayleigh Tán xạ rayleigh tợng mà ánh sáng bị tán xạ theo hớng khác gặp phải vật nhỏ có kích thớc không lớn so với bớc sóng ánh sáng Bầu trời xanh đám mây đỏ bầu trời lúc hoàng hôn tợng tán xạ reyleigh gây Hiện tợng tán xạ ánh sáng đợc đặt theo tên nhà vật lý đà giải thích tợng cách tỉ mỉ Để sản xuất sợi quang, từ lõi thủy tinh tròn có đờng kính từ vài mm đến vài chục mm gọi phôi (vật liệu mẹ sợi quang) đợc nung nóng lên nhiệt độ khoảng 2.000 độ C đợc kéo chảy thành sợi Tại thời điểm này, thủy tinh sợi quang đợc làm lạnh đột ngột từ nhiệt độ cao xuống nhiệt độ phòng khoảng 20 độ C Sự làm lạnh đột ngột tạo không ®ång ®Ịu vỊ mËt ®é vËt liƯu tøc lµ sù không đồng hệ số khúc xạ tạo nên vật liệu có quán tính nhiệt độ cao sợi quang Sự trì không đồng chiết suất khúc xạ nguyên nhân gây nên tán xạ rayleigh sợi quang, nguyên nhân suy hao riêng sợi quang trình tránh đợc Độ lớn suy hao tán xạ rayleigh tỉ lệ nghịch với mị b−íc sãng bëi vËy ¸nh s¸ng lan truyền có bớc sóng dài suy hao trở nên nhỏ Ví dụ, suy hao tán xạ rayleigh vào khoảng 1dB/km ánh sáng bớc sãng µm , nh−ng lan trun ë b−íc sóng 1,6 àm suy hao vào khoảng 0,1 dB/km Vì độ lớn tán xạ rayleigh tỉ lệ thuận với nhiệt độ nung nóng sợi kéo sợi, giảm nhiệt độ kéo tán xạ rayleigh trở nên nhỏ Ví dụ, sợi quang thủy tinh fluoride kéo đợc nhiệt độ thấp vào khoảng 700 độ C, tán xạ rayleigh cã thĨ gi¶m xng 1/3 so víi thủ tinh thạch anh thông thờng Hơn nữa, sợi thủy tinh fluoride có dải hấp thụ hồng ngoại dịch chuyển phía bớc sóng dài Ưu với suy hao tán xạ rayleigh thấp cho ta sợi quang suy hao siêu thấp 10-3dB/km Suy hao tán xạ cấu trúc sợi quang không đồng gây Các sợi quang thực tế có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tởng cấu 62 trúc hình trụ dọc suốt vỏ lõi sợi Nói chung, bề mặt biên lõi vỏ sợi đôi chỗ có gồ ghề không nhẵn Những chỗ gồ ghề nh bề mặt biên gây nên ánh sáng tán xạ vài chỗ phát xạ ánh sáng Những chỗ không phẳng gây nên suy hao quang, làm tăng suy hao quang có phản xạ bất bình thờng ánh sáng lan truyền Loại suy hao này, ngời ta gọi chung suy hao tán xạ cấu trúc không đồng sợi quang Suy hao xạ gây nên bị uốn cong Các suy hao xạ gây nên bị uốn cong suy hao sinh sợi bị uốn cong Với sợi quang bị uốn cong, tia ánh sáng có góc tới vợt góc giới hạn bị phát xạ vỏ gây nên suy hao Bëi vËy, viƯc thiÕt kÕ c¸c hƯ thống thông tin sợi quang phải ý đến việc giữ bán kính cong cho lớn giới hạn cho phép xác định, ví dụ nh 40mm Suy hao vi cong Khi sợi quang chịu lực nén không đồng trục sợi quang bị uốn cong lợng nhỏ (vào khoảng vài àm ), làm tăng suy hao sợi quang Suy hao gọi suy hao cong vi lợng Trong việc thiết kế cấu trúc sợi quang, ngời ta ý đến sản xuất cấu trúc sợi để bảo vệ sợi chống lại áp lực bên (ví dụ nh lớp vỏ đệm) Suy hao hàn nối Việc hàn nối sợi quang tơng tự nh việc nối đoạn èng dÉn n−íc vµ èng dÉn gas thµnh cho nớc khí gas chạy qua đoạn ống không bị rò rỉ Khi hàn nối sợi quang, chúng phải đợc nối đầu sỵi víi chn trùc NÕu lâi cđa hai sỵi không đợc gắn với hoàn toàn đồng phần ánh sáng khỏi sợi không vào sợi hoàn toàn bị phát xạ gây nên suy hao Nguyên nhân suy hao việc không gióng đồng trục hay sợi, tạo nên suy hao lín NÕu cã mét khe hë nhá tån t¹i t¹i chỗ nối khe tạo nên suy hao phản xạ Nếu độ lớn phản xạ lớn ngời ta gọi phản xạ fresnel Suy hao ghép nối sợi quang sợi linh kiện thu phát quang Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác định độ số NA nh đà giải thích phần Khi so sánh đặc điểm LD LED chúng có độ rộng chùm sáng khác nhau, ghép nối vào sợi quang laser có đặc điểm suy hao tốt sử dụng thấu kính để tập trung chùm sáng Ngoài ra, loại sợi SM GI có đặc điểm khác suy hao ghép nối chúng có đờng kính lõi khác Trong ghép nối sợi quang với linh kiện thu quang loại sợi có NA lớn, loại GI có suy hao lớn so với loại sợi SM chùm sáng loại sợi bị trải rộng Tuy nhiên, khác suy hao nguyên nhân chùm sáng nở rộng nhỏ nhiều so với suy hao ghép thân 3.5.2 Tán sắc ánh sáng độ rộng băng truyền dẫn sợi quang 63 Tán sắc mode Trong sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng mode khác Ví dụ, xung ánh sáng đợc đa vào sợi quang đa mode xung đầu có độ rộng lớn độ rộng xung lối vào Nguyên nhân gây tợng xung ánh sáng vào có bớc sóng đơn nhng lan truyền với vài mode khác với tốc độ lan truyền khác Hiện tợng gọi tán sắc mode, làm khoảng trống thời gian xung cạnh trở nên ngắn so với sợi nguyên Trong sợi quang đa mode, độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn chủ yếu tán sắc mode Ngay sợi quang chiết suất biến đổi mà sợi quang có phân bố chiết suất khúc xạ theo hình parabol cho phép giảm tán xạ mode thấp độ xác, hình dạng nhìn nghiêng phân bố chiết suất bị giới hạn Bởi vậy, muốn có hệ truyền dẫn dung lợng truyền dẫn lớn cần phải có đặc tính băng truyền dẫn rộng, sử dụng sợi đơn mode, việc sử dụng loại sợi loại bỏ đợc tán sắc mode hạn chế số lợng mode truyền thống xuống mode Tán sắc bớc sóng Trong môi trờng đồng nhất, chiết suất khúc xạ biến đổi theo bớc sóng, kết tốc độ truyền dẫn biến đổi với bớc sóng Sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ vào bớc sóng đợc hiểu nh tán sắc ánh sáng qua lăng kính bảy sắc cầu vồng sau ma Nói cách xác ánh sáng sử dụng thông tin quang sợi ánh sáng hoàn toàn đơn sắc có bớc sóng đợc phân bố giải hẹp Vì lý đó, ánh sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác khác thành phần bớc sóng ánh sáng (bớc sóng dài chiết suất khúc xạ nhỏ đi, kết có tốc độ lan truyền lớn hơn) Đây yếu tố giới hạn độ rộng băng truyền dẫn giống nh tán xạ mode ta đà bàn tới trớc yếu tố đợc gọi tán sắc vật liệu Khi chiết suất khúc xạ lớp lõi vỏ sợi quang khác chút tợng phản xạ toàn phần bề mặt biên không hoàn toàn giống nh bề mặt gơng mà có thêm phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ Thêm vào đó, møc ®é thÈm thÊu biÕn ®ỉi theo b−íc sãng, kÕt độ dài đờng lan truyền thay đổi theo bớc sóng Tán sắc gây tợng gọi tán xạ cấu trúc Trong lĩnh vực thông tin quang sợi, tán sắc vật liệu tán sắc cấu trúc đợc gọi chung tán sắc bớc sóng Nói chung, độ lớn tán sắc đợc tóm tắt theo mối tơng quan dới đây: Tán sắc mode >>Tán sắc vật liệu>Tán sắc cấu trúc Bởi vậy, trờng hợp sợi quang đa mode, độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn hầu nh nguyên nhân tán sắc mode, tán sắc bớc sóng có giá trị nhỏ Nói cách khác, trờng hợp sợi quang đơn mode tán sắc bớc sóng lại nguyên nhân gây nên hạn chế độ rộng băng sợi Bởi vậy, sợi quang đơn mode bớc sóng đợc sử dụng để hoạt động phải đợc chọn cho ảnh hởng tán sắc vật liệu bỏ qua đợc, cách tán sắc cấu trúc giảm (tán sắc màu 0) cách tạo nên cấu trúc khác việc thiết kế sợi quang Độ rộng băng truyền dẫn 64 Trong lĩnh vực thông tin sợi quang nay, từ độ rộng băng truyền dẫn đợc sử dụng nh mức độ để tần số điều chế tín hiệu ánh sáng cao truyền dẫn đợc đợc biểu số lợng 6dB độ rộng băng tần số băng sở sợi quang Giả thiết xung có dạng sóng lý tởng độ rộng (đợc gọi xung kim) đợc đa vào sợi quang, sau lan truyền qua khoảng cách định xung thu đợc bị dÃn độ rộng định tán sắc ánh sáng Nếu xung bị nở rộng chiều cao xung giảm, ta giả thiết ánh sáng phát xạ toàn tuyến truyền dẫn, điều có nghĩa lợng đợc bảo toàn Việc kiểm tra dạng xung đầu (đợc gọi dạng đáp ứng xung), theo cách có nghĩa kiểm tra đặc tính tán sắc sợi quang ứng dụng nguyên lý miền tần số cho ta khái niệm đặc trng tần số băng sở Các đặc trng tần số băng tần sở đặc tính đáp ứng tần số tỉ số biên độ vào ra, lối vào tín hiệu điện có dạng sóng hình sin để điều chế tín hiệu quang gửi vào đầu vào đoạn truyền dẫn quang, lối tín hiệu điện đợc giải điều chế từ tín hiệu quang thu đợc đầu phần truyền dẫn quang Trong sợi quang đa mode tần số điều chế đầu vào tăng lên biên độ tín hiệu đà giải điều chế đầu giảm tuỳ thuộc vào khoảng cách nguyên nhan tán sắc mode đà đề cập đến phần Độ rộng băng 6dB định nghĩa dải tần số mà tới tần số có biên độ tín hiệu điện đầu giải ®iỊu chÕ tõ tÝn hiƯu quang sau lan trun qua khoảng cách km giảm xuống / biên độ (công suất ánh sáng giảm 3dB) tín hiệu điện điều chế đầu vào Độ rộng băng 6dB đợc đo MHz.km Các đặc tính độ rộng băng tần số sở cáp sợi quang lớn nhiều so với loại cáp đôi đối xứng cáp đồng trục cổ điển nh đà biết đến Đối với loại sợi đơn mode nói riêng, độ rộng băng tần sở lớn so với số đây, nói chung đến số vài chục GHz.km 3.5.3 Gia cờng học cho sợi quang Gia cờng học cho sợi quang yếu tố quan trọng việc đa hệ thống thông tin quang vào sử dụng đợc thực tế Tăng cờng sức chịu lực nói riêng yếu tố quan trọng việc sử dụng cáp đồng tự thân kim loại có tính chịu uốn cao nhng cáp quang vấn đề phải đợc đặc biệt ý vật liệu thuỷ tinh giòn dễ gẫy Lực chịu căng thuỷ tinh thạch anh lớn vào cỡ 300kG/mm2 Nó lớn gấp hai lần so với thép mời lần so với đồng nhôm Nhng có vết nứt bề mặt sợi quang lực chịu căng đợc tập trung vào chỗ nứt sợi bị gÃy lực lớn giới hạn chịu đựng cho phép Đây nhợc điểm lớn sợi thuỷ tinh Trong trình kéo phôi thành sợi quang, bụi cát bám vào sợi gây nên vết nứt bề mặt Để ngăn điều phải ý đặc biệt đến môi trờng sản xuất nh phải bọc sau kéo thành sợi phải sản xuất phòng Nói chung nguyên nhân làm gÃy sợi quang vệt rạn phân bố cách ngẫu nhiên suốt dọc chiều dài sợi Để loại bỏ vết nứt bảo đảm sức chịu lực sợi quang phải thực phép kiểm tra thử screening test, tức sơ tuyển Phép kiểm tra đợc thực cách đặt lực căng theo suốt chiều dài sợi 65 để phát sợi quang gÃy điểm yếu sợi quang bị rạn nứt Bằng cách này, đoạn yếu đợc bỏ trớc sử dụng, nh giảm thiểu đợc việc sợi quang bị gÃy Chúng ta biết sức chịu căng sợi quang thấp môi trờng nớc Nguyên nhân liên kết yếu nguyên tử thuỷ tinh nớc Do phải ý không để sợi quang chìm xuống nớc sử dụng 3.5.4 Các giai đoạn phát triển thông tin sợi quang Có thể chia phát triển hệ thông tin sợi quang thành hệ Thế hệ thứ (1970) sợi quang sử dụng sợi đa mode loại SI GI, bớc sóng ánh sáng ngắn 850nm Do ảnh hởng tán xạ vật liệu, tán xạ mode sợi quang, nên tán xạ tiêu hao sợi quang lớn Cự ly thông tin (khoảng cách tham số lặp) tèc ®é trun tin thÊp Chđ u sư dơng nãi tổng đài Thế hệ thứ hai Nhờ tiến công nghệ chế tạo sợi quang, đà chuyển sang sử dụng bớc sóng =1300nm Loại sợi quang sử dụng sợi đa mode GI Tại bớc sóng giảm đáng kể tán xạ vật liệu, song sợi đa mode nên tồn tán xạ mode Tốc độ truyền dẫn trung bình 34Mbit/s, cự ly thông tin km Mặc dù mức thử nghiệm đạt 140Mbit/s víi cù ly 25 km ThÕ hƯ thø ba Sư dụng sợi đơn mode SM, bớc sóng dài 1300nm, nên tán xạ vật liệu nhỏ, tán xạ mode không Tiêu hao sợi quang nhỏ cỡ 0,35dB/km Nó đợc dùng cho đờng trục với dung lợng lớn, tốc độ truyền dẫn cao, cự ly thông tin xa Tốc độ đạt đợc 400 Mbit/s độ dài đạt đợc 50km Thế hệ thứ t Sử dụng sợi đơn mode víi b−íc sãng 1550nm KÕt hỵp víi viƯc sư dơng LED LD photo diode thích hợp, cự ly thông tin tăng 50 km tốc độ truyền dẫn 565 Mbit/s 3.6 Các lặp đầu cuối, lặp đờng dây Các lặp đầu cuối, bao gồm hai phần: phần thu phần phát (gửi, nhận) Để tiện khảo sát, ta tách thành lặp: lặp phía gửi (khi phát), lặp đầu ci phÝa thu (khi nhËn) VỊ cÊu tróc, hai phÇn hoàn toàn ngợc nhau, nhng nằm chung thiết bị đầu cuối 3.6.1 Bộ lặp đầu cuối Sơ đồ lặp đầu cuối phía gửi dẫn hình 3.10 66 Hình 3.10 Bộ lặp đầu cuối gưi TÝn hiƯu ®iƯn sư dơng hƯ thèng ®iƯn tín hiệu lỡng cực (xung âm, xung dơng luân phiên) Trong hệ thông tin sợi quang tín hiệu đơn cực, tơng ứng với có không, tạo hai møc logic “1” vµ “0” ë lèi vµocđa bé lặp gửi, nhận đợc tín hiệu điện lỡng cực qua biến đổi lỡng/ đơn cực, thành tín hiệu ®iƯn ®¬n cùc TÝn hiƯu ®¬n cùc møc logic “1” tơng ứng với xung đơn cực, chúng làm cho trình xử lý thiết bị dễ dàng Tín hiệu điện đơn cực qua xử lý mà gửi Tại số mà quy ớc đặc biệt đợc cộng thêm vao tín hiệu đơn cực đa vào, làm nhiệm vụ kiểm tra hoạt động bình thờng lặp Sau toàn tín hiệu lần đợc biến đổi thành mà đờng truyền xác định phù hợp với môi trờng truyền dẫn Sau tín hiệu đợc đa vào biến đổi điện-quang E/O Đầu tiên tín hiệu qua mạch điều khiển, đợc khuếch có công suất đủ lớn.Mạch điều khiển, điều khiển hoạt động laser diode LD tạo tín hiệu quang tơng tự tín hiệu điện Mạch điều khiển mức công suất tín hiệu lối đợc dùng để giữ công suất LD ổn định Mạch điều khiển hoạt động theo nguyên tắc lấy tín hiệu từ lối LD, đa trở lại tác động vào mạch điều khiển Khi LD phát mạnh, mạch điều khiển công suất tác động vào mạch điều khiển Mạch điều khiển điều khiển LD phát giảm Quá trình xảy tự động LD phát công suất ổn định suốt trình hoạt động Nguồn sáng thực chức biến đổi điện quang đợc dùng diode phát quang LED (light emitting diode) LD (laser diode) Nguyên tắc biến đổi điện-quang dùng tín hiệu điện lối vào thay đổi cờng độ xạ LED LD Nói cách khác, phơng pháp điều biên Về nguyên tắc, LED LD thực điều chế biên độ với tín hiệu tơng tự tín hiệu số Nhng đặc trng P(I) công suất phát xạ phụ thuộc vào dòng điện qua thiết bị phi tuyến, điều chế tín hiệu tơng tù Ýt hiƯu qu¶ Chđ u sư dơng chóng thông tin tín hiệu số So sánh LED LD ta thÊy: §èi víi LED: §é dèc S cđa đặc trng P(I) vào khoảng (5 ữ 50) àw / mA Tần số cắt: fc= (30 ữ 50) MHz Đối với LD: Độ dốc S đặc trng P(I) 500 àw / mA Tần số cắt fc=1,6GHz Vậy LD hoạt động tần số tín hiệu điều chế cao Hơn LD tạo tín hiệu đơn sắc, nên đợc dùng sơi đơn mode 67 Bề rộng phổ xạ điều chế nhỏ λ = 6.10 −6 , cã thĨ xem phỉ cđa tín hiệu sau điều chế với sóng mang gần nh không thay đổi Các thiết bị ghép/tách kênh số ghép/ tách kênh quang có, không 3.6.2 Bộ lặp đầu cuối phía nhận Sơ đồ lặp đầu cuối phía nhận (phía thu) dẫn hình 3.11 Tín hiệu từ trạm gửi qua sợi quang đến trạm lặp phía nhận Tại lại thực trình ngợc với trình trạm lặp gửi, nghĩa thực trình biến đổi quang điện O/E Hình 3.11 Bộ lặp phía thu Quá trình biến đổi O/E Khi lan truyền qua sợi quang từ trạm gửi đến trạm thu, bị suy giảm biến dạng (tín hiệu sau tách kênh quang hình 3.11) Tín hiệu qua thiết bị thu quang photo diode biến thành tín hiệu điện Dạng tín hiệu điện bị méo tơng tự nh tín hiệu quang Vì tín hiệu cần qua khuếch đại cân Khuếch đại cân thực việc sửa dạng tín hiệu khuếch có biên độ cần thiết Trong phần này, mạch thực việc tự động điều khiển, để giữ mức tín hiệu cố định lối khuếch đại, nhờ mạch tự động điều khiển AGC Ngoài khuếch đại lấy tín hiệu thời gian khoảng thời gian tín hiệu xung gèc “1” vµ “0” tõ tÝn hiƯu sưa vµ khuếch đại gọi xung định thời Tại mạch tái tạo xung có không (1 0) đợc xác định vị trí tín hiệu định thời, theo trơc thêi gian Nh− vËy, c¸c tÝn hiƯu xung gốc đợc phục hồi nguyên dạng tín hiệu điện ban đầu Sau trình hoàn mà đợc thực xử lý mà Tại đây, xử lý mà kiểm tra lõi chuyển đổi mà tín hiệu mà ban đầu Đây trình giải điều Tín hiệu sau xử lý mà đơn cực, đợc cho qua biến đổi đơn/ lỡng cực ta đợc tín hiệu điện ban đầu Tín hiệu qua tách kênh số trả lại đích nhận -Bộ thu quang thực chức biến đổi quang-điện O/E photo diode Có hai loại photo diode đựơc sử dụng PIN APD Các photo diode hoạt động theo nguyên tắc sau: Các photo diode đợc phân cực ngợc, ánh sáng chiếu vào, dòng qua diode Khi có tia sáng chiếu 68 vào, qua diode xuất dòng điện Cờng độ dòng điện tỉ lệ với cờng độ ánh sáng chiếu vào Do photo diode thực đợc trình biến đổi quang -điện O/E So sánh hai loại photo diode sử dụng thông tin sợi quang Lo¹i photo diode PIN: CÊu t¹o cđa lo¹i photo diode gồm hai mảnh bán dẫn P N đợc nối qua sợi kim loại mảnh ngắn Tên loại photo diode dựa ba chất cấu tạo nên (P, N bán dẫn loại P N, I kim loại) Vì có sợi kim loại, nên tốc độ chuyển mạch PIN không cao Nó hoạt động với tần số biến đổi ánh sáng thấp, nên dùng cho thông tin có tốc độ thấp Mặt khác, hệ số biến đổi quang điện thấp khuếch đại, nên độ nhạy không cao Tuy nhiên, nuôi photo diode loại PIN cần nhỏ hoạt động lại ổn định PIN hay đợc dùng LAN với cự ly ngắn, tốc độ thấp -Photo diode APD: Cấu tạo loại này, nh photo diode bình thờng gồm hai mảnh bán dẫn PN tiếp giáp với Tại miền gần tiếp giáp, ngời ta thay đổi nồng độ tạp Hoạt động dựa nguyên tắc photo diode đợc phân cực ngợc, ánh sáng tác động, dòng qua photo diode Khi có ánh sáng tác động qua photo diode xuất dòng ngợc Dòng ngợc tỉ lệ với cờng độ ánh sáng tác dụng Do APD thực đợc nhiệm vụ biến đổi quang điện O/E Sự khác biệt APD phân cực ngợc lớn (cỡ 200v) Khi ánh sáng tác động vào miền tiếp giáp làm xuất cặp lỗ trống, chúng chuyển động nhanh tác động điện trờng mạnh, gây ion hoá va chạm Trong APD xuất hiện tợng thác Chính nhờ tợng APD làm nhiệm vụ biến đổi O/E mà có tác dụng khuếch đại tín hiệu lên đến 200 lần Tốc độ chuyển mạch APD cao Nó hoạt động giải tần đến GHz Do có độ nhạy cao, tần số cắt cao nên APD đợc dùng hệ thông tin sợi quang với khoảng cách xa tốc độ lớn Hạn chế APD thê nuôi có điện áp cao (200v) hoạt động ổn định (vì có tợng thác) Vì đòi hỏi nguồn nuôi phải ổn định hoạt động môi trờng ổn nhiệt, phải sử dụng thiết bị bảo vệ tốn 3.6.3 Bộ lặp đờng truyền Khi cự ly lặp gửi nhận xa, tín hiệu bị biến dạng đến mức không hồi phục đợc Lúc cần sử dụng thêm trạm lặp đờng truyền trạm gửi trạm thu Bộ lặp đờng truyền có cấu tạo bao gồm phần lặp đầu cuối phía thu phần lặp đầu cuối phía phát Phần đầu lặp đờng truyền phần đầu lặp thu gồm tầng: APD, khuếch đại cân bằng, xác định tái tạo Khi tín hiệu đờng truyền cần đợc tăng cờng sửa dạng, đợc đa đến lối vào lặp đờng truyền Qua bốn khối phần đầu lặp đờng truyền, tín hiệu đợc sửa giống nh tín hiệu điện trớc điều chế Tín hiệu đợc đa qua phần cuối lặp đờng truyền Nó phần cuối lặp phía gửi (hình 3.10) bao gồm tầng khối E/O: mạch điều khiển, LD, mạch điều khiển mức công suất lối lặp đờng truyền tín hiệu quang có dạng giống nh− tÝn hiƯu lèi cđa bé lỈp phÝa gưi Tóm lại lặp đờng truyền bao gồm phần O/E lặp phía thu phần E/O lỈp phÝa gưi 69 ... quan trọng thông tin Ngời ta đà tính toán kinh tế sử dụng hệ thống sợi quang để thông tin, thực tế hiệu nhiều so với sử dụng cáp điện Bởi lẽ hệ thống bền, hỏng hóc, tồn lâu, hiệu truyền tin lại... thống thông tin sợi quang, ánh sáng đợc truyền theo suốt sợi quang giới hạn lõi có tợng phản xạ toàn phần 52 Hình 3.3 ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn lõi 3.2.3 Nguồn sáng sử dụng thông tin sợi... đơn mode đợc truyền chủ yếu theo đờng gần thẳng vào lõi Điều gia tăng nhiều tốc độ cự ly thông tin Với kết cấu đựac biệt nh vậy, sợi đơn mode có tốc độ truyền số liệu cao cự ly thông tin lớn nhiều