Thiết kế tuyến thông tin quang WDM

Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến.Nửa sau thế kỉ 20, thông t

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chương

Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng tăng, hệ thống truyền dẫn cần phải phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống Do vậy, để hiểu rõ về hệ thống thông tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống; sơ đồ nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bước sóng và các thành phần cơ bản; những ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.2 Tổng quan

1.2.1 Lịch sử phát triển của thông tin quang

Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con

truyền dẫn không lớn, tốc độ thấp (< 1 bit/s) Năm 1880, A.G.Bell phát minh ra máy điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị quang có khả năng biến đổi từ tín hiệu âm thanh thành tín hiệu ánh sáng Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến.

Nửa sau thế kỉ 20, thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của Laze ( 1958 ), việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi quang đã tạo bước độ phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin quang vào cuộc sống.Trong vòng 20 năm ( 1974- 1992) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc:

- Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triển khai vào năm 1978, làm việc ở bước sóng 0.85um, tốc độ truyền tin vào khoảng 50 – 100 Mb/s, khoảng lặp đạt

10Km, tổn hao sợi quang 20 dB/s

- Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu năm 1980, bước sóng làm việc 1,3um, khoảng lặp 20Km, tốc độ truyền tin mới đạt 100Mb/s do hiệu ứng tán sắc trên sợi quang đa mode Điểm hạn chế trên đã được khắc phục nhờ sử dụng sợi quang đơn mode Năm 1987 thế hệ thông tin quang 1.3 um thứ hai có tốc độ 1,7um Gb/s, khoảng lặp 50Km đã được đưa vào sử dụng Khoảng lặp của thế hệ này bị giới hạn bởi tổn hao sợi quang tai bước sóng 1,3um

- Năm 1990 thế hệ thông tin thứ ba của thông tin quang được đưa vào khai thác, bước sóng công tác là 1.55um, hệ số suy hao 0.2dB/Km, tốc độ truyền tin 2,4Gb/s và

khoảng lặp đạt 100Km

- Thế hệ thứ tư của thông tin quang liên quan tới việc tăng tốc độ truyền tin nhờ ghép kênh theo tần số và tăng khoảng lặp nhờ dùng các bộ khuếch đại quang Năm 1990 các bộ khuếch đại quang xuất hiện, bắt đầu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thông tin quang Hệ thống thông tin quang kết hợp ra đời và phát triển Trong phòng thí nghiệm, người ta đã thành công khi truyền tin ở tốc độ 2,4Gb/s xa hơn 21.000 Km và truyền tin ở tốc độ 5Gb/s xa hơn 14.300Km

- Thế hệ thứ năm của thông tin quang đã đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện trong phòng thí nghiệm dựa trên việc duy trì hình dạng xung quanh trong quá trình truyền trong sợi quang không tổn hao nhờ hiệu ứng tán sắc bằng sợi quang phi

tuyến Năm 1988 người ta đã chứng minh được tính khả thi của đường truyền số liệu vượt 4.000Km bằng cách bù tổn hao sợi quang nhờ tán xạ kích thích Raman Một số

hệ thống truyền dẫn thí nghiệm đã vượt khoảng cách 1.000Km với tốc độ truyền tin

10 Gb/s và vượt khoảng cách 350Km với tốc độ 20Gb/s

1.2.2 Xu hướng phát triển của thông tin quang trong tương lai

Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể, kỹ thuật thông tin quang vẫn phát triển với tốc độ nhanh theo hướng hoàn thiện kỹ thuật truyền dẫn, chuyển mạch,

xử lí tin hiệu quanh nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và tăng khoảng lặp Các xu hướng phát triển của thông tin quang trong thời gian tới có thể là :

- Sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số đường thông tin hiện có

- Phát triển sợi quang bằng vật liệu mới như sợi Flor thay cho vật liệu truyền thống Silic, suy hao của loại sợi này thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly trạm lặp có thể đạt hang ngàn Km

- Phát triển vi mạch quang tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC Phương pháp này kết hợp xử lí tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng một chip từ đó tăng khả năng

và tốc độ xử lý tín hiệu

- Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp, các trạm lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện rồi khuếch đại, phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đổi sang tín hiệu quang truyền đi Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối tiền khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy phát

- Cải tiến các linh kiện thu, phát quang Linh kiện phát được phát triển theo hướng : tăng công suất phát, giảm độ rộng phổ, tăng giải thông điều chế, giảm dòng ngưỡng

và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ Linh kiện thu phát triển theo hướng : tăng đọ nhạy,

1.2.3 Hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần cơ

bản

Một hệ thống thông tin quang hay hệ thống thông tin ánh sáng là một hệ thống liên lạc sử dụng ánh sáng để mang thông tin sợi quang Hệ thống thông tin là hệ thống điểm – điểm, còn mạng thông tin có nhiều tuyến được nối với nhau bằng các

bộ ghép hoặc các bộ chuyển mạch, cho phép liên lạc từ trạm này đến trạm khác Hinh 1.2 minh họa mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần

cơ bản của nó Mạng cung cấp các đường quang tới người sử dụng là các đầu cuối SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP

Một hệ thống thông tin liên lạc điểm – điểm gồm ba phần cơ bản là phần phát, môi trường truyền dẫn và máy thu Phần phát có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền Đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi

trường truyền này là cáp sợi quang Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng xấu đến chất lượng tín hiệu truyền dẫn là nhiễu Nhiễu có thể xuất hiện trong ba phần của hệ thống Khác với các hệ thống thông tin ở miền điện như hệ thống thông tin vi ba, vệ tinh, trong hệ thống thông tin sợi quang nhiễu từ môi trường bên ngoài tác động vào sợi là không đáng kể Tuy nhiên, nhiễu từ nguồn phát và máy thu lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, khi nhiễu từ các nguồn này đủ lớn, tín hiệu có thể bị méo dạng, tỉ lệ lỗi bít (BER) tăng lên.

1.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

Điểm khác nhau cơ bản của hệ thống thông tin quang và hệ thống vi ba dải tần

số sóng dùng để mang thông tin khác nhau Các tần số sóng mang quang tiêu biểu khoảng 200THz , trong khi đó dải tần sóng mang vi ba là khoảng vài GHz đến vài chục GHz Do dung lượng thông tin tỉ lệ thuận với tần số sóng mang nên sóng ánh sáng có thể mang dung lượng thông tin gấp khoảng 10.000 lần so với sóng vi ba Điều này được giải thích là băng thông của sóng mang đã điều chế có độ rộng bằng vài phần trăm của tần số sóng mang Chẳng hạn, nếu cho độ rộng tiêu biểu là 1% thì băng thông của hệ thống thông tin quang là khoảng 2THz, trong khi đó của vi ba có thể đạt khoảng 200 MHz Do đó, thông tin quang được đánh giá là hệ thống truyền dẫn và phân phối đầy tiềm năng nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng trong tương lai của

xã hội

Thông thường thì tên gọi của một hệ thống thông tin gắn liền với môi trường truyền dẫn Vì vậy mà đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi trường truyền dẫn chính là cáp sợi quang Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như hình dưới

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu quang Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi dẫn quang để truyền đến phía thu Ở phía thu thực hiện ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang-điện (O/E)

Hệ thống thông sợi tin quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km)

Hệ thống dài thường là các tuyến đường trục trên mặt đất có dung lượng lớn nối giữa các thành phố, các quốc gia hoặc các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương Hệ thống ngắn thường là các tuyến và các vòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp hơn và khoảng cách dưới 10 km Để đáp ứng với các loại hình thông tin số đa dạng, tốc độ cao, nhiều thuê bao như hiện nay và trong tương lai, các hệ thống này cũng thực hiện các kỹ thuật ghép kênh và khuếch đại quang như hệ thống đường trục

Dựa vào phương pháp điều chế thì có thể chia hệ thống thông tin sợi quang thành hai hệ thống: Hệ thống đều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM-DD) và hệ thống Coherence Trong đó hệ thống IM-DD sử dụng phương pháp điều chế số ASK, còn hệ thống Coherence sử dụng thêm các phương pháp điều chế số khác như: FSK, PSK, điều chế phân cực PoLSK

Hệ thống thông tin sợi quang IM-DD hiện nay được sử dụng phổ biến hơn, bao gồm các thành phần chính là phần phát quang, sợi dẫn quang và phần thu quang được biểu diễn như hình sau :

Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM-DD

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết nhau, bao gồm các phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát

quang Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc LD, các loại này tạo

ra tín hiệu quang ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến vào Tuy nhiên LED phù hợp với hệ thống có cự li ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành cho các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao Tín hiệu điện ở đầu vào ở dạng số hoặc tương tự, thiết bị phát sẽ biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng

Hình 1.4 Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng qua các giai đoạn khác nhau

Theo như hình trên thì có 3 vùng bước sóng được sử dụng lần lược theo thời gian trong hệ thống thông tin sợi quang: đó là vùng 850nm, 1300nm, 1550nm gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Giai đoạn đầu cửa sổ thứ nhất được sử dụng Sau đó, nhờ công nghệ chế tạo sợi quang phát triển mạnh, suy hao sợi quang cửa sổ thứ hai giảm nhỏ (khoảng 0,5 dB/km) cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn Đến cuối thập niên 70, người ta sử dụng sợi ở vùng cửa sổ thứ ba với tổn hao tiêu biểu trong sợi là khoảng 0,2dB/km [2]

Các trạm lặp hoặc các khuếch đại quang: Khi hệ thống cần truyền tải thông tin với khoảng cách lớn do đó suy hao truyền dẫn giữa nguồn phát và nguồn thu lớn

Do đó cần phải lắp đặt thêm các trạm khuếch đại để bù lại suy hao đó sao cho máy thu có đủ công suất cần thiết để tín hiệu thu được đảm bảo được yêu cầu lỗi bít BER cho trước Hiện nay, hầu hết các trạm lặp đều được thay thế bằng các bộ

khuếch đại quang do nó cồng kềnh, cần hệ thống cung cấp nguồn phức tạp, băng thông quang bị hạn chế và phải thực hiện chuyển đổi quang-điện, điện quang.

Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, các mạch khuếch đại, điều khiển giải

mã Các bộ tách quang thường được sử dụng là Photodiode PIN hoặc diode thác quang ADP, cả hai loại đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh

Ngoài ra còn nhiều thành phần tạo nên hệ thống truyền dẫn hiệu quả, chẳng hạn các bộ xen rẽ kênh, bộ chia quang, bộ nối quang

1.3 Khái quát về hệ thống thông tin quang WDM

Trong những năm gần đây,để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao thì

kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) đã ra đời,đây là một phương thức truyền nhiều bước sóng trong cùng một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng và cũng không cần tăng thêm sợi dẫn quang nên làm tăng đáng kể băng thông mạng quang

Nguyên lý là mỗi máy phát tín hiệu trên mỗi bước sóng xác định,nhiều tín hiệu sau đó được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang.Chúng được truyền đi trên sợi đó đến nơi thu, qua bộ DEMUX tách bước sóng ra và lần lượt được thu bởi các máy thu riêng biệt

+ Phương thức truyền dẫn WDM theo một hướng:

Hình 1.5 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn hướng

Hình 1.5.Hệ thống WDM đơn hướng

Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép với nhau tại một đầu bởi bộ MUX-WDM rồi truyền trong một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu này được giải ghép bởi bộ DEMUX-WDM rồi chuyển đến các bộ tách sóng quang để thu các bước sóng tương ứng

+ Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng:

Hình 1.6 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song hướng

Hình 1.6.Hệ thống WDM song hướng

Các tín hiệu λ1, , λk được ghép với nhau tại một đầu rồi chuyền trong sợi quang và được thu tại đầu bên kia Đồng thời, các tín hiệu λk+1, , λn được phát ở đầu bên kia và thu ở đầu này Các bước sóng giữa hai hướng truyền không được trùng nhau

1.4 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

- Dung lượng cực lớn: Cáp quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến Băng thông gấp khoảng 10000 lần

so với thông tin vi ba

- Tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2dB/km, so với cáp đồng trục: 10 – 300dB/km

- Khoảng cách truyền dẫn lớn: Kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhạy thu cao của các máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn.

- Tốc độ cao, hiệu suất lớn: Các linh kiện thu và phát quang có khả năng điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao

- Khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: Thông tin sợi quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có các bước sóng khác nhau Đặc tính này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn

- Cách điện tốt và chống can nhiễu tốt: Sợi quang được chế tạo bằng thuỷ tinh là chất cách điện do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường

- Có tính bảo mật cao: Bởi vì tín hiệu được truyền trong sợi quang và không một bức xạ ánh sáng nào có thể lọt ra ngoài

- Nguyên liệu thô sẵn có: Thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang, nguyên liệu này có sẵn và rất rẽ vì nó có trong cát thường

1.5 Nhược điểm của hệ thống

- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối với sợi quang khó khăn

- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao Các khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên nhân gây

ra suy hao

- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn

1.6 Kết luận chương

Toàn bộ chương cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang Qua

đó giúp ta hiểu rõ được tổng thể về hệ thống đó và những ưu thế nổi bật mà các hệ

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

2.1 Giới thiệu chương

Sau khi tìm hiểu về hệ thống thông tin quang qua tìm hiểu ở chương trước Trong chương này tiếp tục tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang Cụ thể sẽ tìm hiểu về bộ phát quang; sợi quang; suy hao trên sợi quang; tìm hiểu về bộ thu quang và tìm hiểu về vai trò bộ khuếch đại quang trong hệ thống

2.2 Cấu trúc của hệ thống

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang

Nhìn vào hình 2.1, ta thấy cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm những bộ phận sau:

tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tử bức xạ quang Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc theo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều tần nguồn phát quang.

2.3.1 Diode phát quang LED (Light Emitting Diode)

LED là nguồn phát ra ánh sáng không kết hợp khi chúng được phân cực bằng điện áp thuận hoặc nguồn dòng Ánh sáng không kết hợp là ánh sáng có pha tạp thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, do quá trình tái hợp điện tử lỗ trống xảy ra độc lập Nghĩa là pha và tần số của một photon tạo ra từ sự tái hợp của một cặp điện tử và lỗ trống này sẽ khác pha và tần số của một photon tạo ra từ sự tái hợp của một cặp điện

tử và lỗ trống khác Vì vậy, áng sáng LED có phổ trãi rộng

Có hai kiểu cấu trúc bộ ghép quang khác nhau tương ứng với diode phát xạ mặt và phát xạ cạnh Hình 2.2 là kiểu phát xạ mặt, trong cấu trúc này mặt phẳng phát

ra ánh sáng vuông góc với trục sợi quang, ánh sáng phát ra vuông góc với bề mặt của các lớp

Hình 2.2 Cấu trúc của LED phát xạ mặt

Hình 2.3 Cấu trúc dị thể kép của ELED phát cạnh

Còn trong diode phát cạnh ELED (Edge Light Emitting Diode) được biểu diễn như hình 2.3 thì ánh sáng phát ra song song với các lớp này Do tín hiệu ứng tự hấp thụ dọc theo chiều dài của lớp hoạt tính nên diode phát xạ cạnh có độ rộng đường nhỏ hơn so với diode phát xạ mặt

2.3.2 Laser diode (LD)

Laser diode ( Light Amplificaltion by Stimulate Emission of Radiation) Có cấu trúc tương tự như cấu trúc của diode phát xạ cạnh Tuy nhiên, bằng cách thêm vào cấu trúc giảm photon theo chiều ngang nên ánh sáng phát ra là ánh sáng kết hợp

2.3.2.1 Bơm bên ngoài

Hình 2.4 Hệ thống 2 mức năng

Khi một LD có vài trạng thái năng lượng thì bơm bên ngoài sẽ kích thích các hạt mang nhảy lên trạng thái cao Khi quay về trạng thái nền thì chúng giải phóng năng lượng và tạo ra photon mà hình biểu diển hệ thống có hai mức năng lượng, trong đó các hạt mang có thể ở một trong hai trạng thái E1 hoặt E2 khi không có bơm bên ngoài, hầu hết các hạt mang đều ở trạng thái nền do sự ổn định nhiệt, còn khi có bơm bên ngoài thì hạt mang nhảy từ mức E1 lên E2

2.3.2.2 Khuếch đại ánh sáng.

Hình 2.5 Sự tái hợp và phát xạ photon trong Laser Diode bán dẫn

Hình 2.5 biểu diển quá trình phát xạ và hấp thụ trong hệ thống có 2 mức năng lượng Khi hạt mang được bơm đến trạng thái cao hơn thì có thể quay lại trạng thái nền theo cơ chế tự phát hoặt tự kích ,tương ứng với quá trình phát xạ photon tự phát hoặt tự kích Trong phát xạ tự phát, các photon tạo ra có tần số và pha ngẩu nhiên tương ứng với ánh sáng không kết hợp, trong khi đó các photon phát xạ kích thích

sẽ có cùng tần số và pha và tạo ánh sáng kết hợp Ngoài ra các photon cũng có thể bị hấp thụ để kích thích các hạt mang từ trạng thái đất lên trạng thái cao hơn gọi là sự hấp thụ kích thích

khoảng lặp trong các hệ thống thông tin sợi quang Một thông số quan trọng khác của sợi quang là tán sắc sợi gây ra vấn đề giãn nở xung tín hiệu tại máy thu Nếu các xung bị trải rộng vượt quá khe thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng Tán sắc trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi đơn mode khác nhau với các tốc độ khác nhau Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ dùng sợi đơn mode để truyền dẫn Ở tốc độ bít cao, trong sợi này cũng xảy ra hiện tượng tán sắc vật liệu do chiết suất của sợi thay đổi theo bước sóng ánh sáng, cũng gây nên sự giãn nở xung Sau đây, đồ án sẽ đi vào tìm hiểu đặc tính của sợi quang nhằm hiểu rõ hơn các vấn đề trên.

2.4.1 Đặc tính của ánh sáng

Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc tính cơ bản của ánh sáng Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất Còn hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau

Vận tốc lan truyền của ánh sáng luôn thay đổi theo chiết suất của môi trường

mà nó đi qua Thể hiện qua biểu thức:

v= c/n

Về chỉ số chiết suất, các tia sáng được truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn vào môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường Các tia sáng khi qua vùng ranh giới này

bị đổi hướng nhưng vẫn tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia khúc xạ còn ngược lại, nếu tia sáng nào đi trở về lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ Theo định luật Snell ta có quan hệ:

n

1SinØ1 = n2 SinØ2

c gọi là góc tới hạn, lúc này không tồn tại tia khúc xạ ở môi trường thứ 2.

Hình 2 6 Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sángKhi tia sáng có góc tới Ø

1 lớn hơn góc tới Øc thì đều bị phản xạ lại Hiện tượng các tia sáng bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu tại mặt phân cách hai môi trường gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần ứng với góc tới hạn Ø

= n2

/n1Như vậy, điều kiện xảy ra hiện tượng toàn phầnlà:

+ Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn

+ Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.

2.4.2 Sợi quang và cáp quang

Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi trong suốt nhưng khác nhau về chiết suất Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua còn lớp vỏ bao quanh lõi và

có đường kính tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể

Theo nguyên lý đó người ta chế tạo ra các loại sợi quang có thể truyền tín hiệu dạng ánh sáng trong đó Sợi quang dẫn được cấu tạo từ một sợi thủy tinh được bao bọc bằng lớp thủy tinh có ngoài là vỏ bọc để tránh các nguồn gây nhiễu Khi một ánh sáng đi vào sợi quang với một góc hẹp so với trục của sợi quang sẽ bị phản xạ liên tục cho tới khi truyền đến đầu cuối của sợi Có hai loại cáp quang cáp đơn mode

và cáp đa mode Cáp quang đa mode có chỉ số phức tạp hơn vì nó phụ thuộc dãi thông và đặc tuyến tần số của sợi cáp Đường kính của sợi quang phụ thuộc vào mode của nó Đối với sợi đơn mode thường có đường kính từ 7-10um còn đa mode

từ 50- 85um

Cáp quang gồm một hay nhiều bó các sợi quang nhỏ được bảo vệ bằng một lớp

vỏ kim loại hay nhựa để chống lại tác động cơ học Với cấu trúc này cáp quang có thể truyền được dung lượng rất lớn Cáp sợi quang cần phải đảm bảo các yêu cầu chính như: không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không bị thấm nước, lọt nước

Các loại sợi cáp quang:

- Có 2 loại là sợi đơn mode (Single mode) và sợi đa mode (multi mode)

- Đường kính lõi sợi đơn mode: từ 8 - 10 micromet

- Đường kính lõi sợi đa mode: 50 micromet

- Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy tinh bao quanh lõi

Hình 2.7 Cấu trúc sợi quang với vỏ có dạng ống đệm lỏng

Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinh có tác dụng tạo ra phản

xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ Muốn vậy thì chỉ số chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm không cần chất nhồi nhưng đối với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tác dụng ngăn ẩm, có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp và dễ tẩy sạch khi hàn và khó cháy

Hình 2.8 Cấu trúc cơ bản của sợi quang điển hình

2.4.3 So sánh sợi đơn mode và sợi đa mode

Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode, đặc biệt ở bước song λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode này rất thấp (gần như bằng không) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng, song vì kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải

có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng do đó sợi đơn

Sợi đơn mode Sợi đa mode

Chỉ được phép truyền 1 mode sóng trong

một sợi quang

Cho phép truyền nhiều mode sóng trongmột sợi quang

Đường kính sợi nhỏ ( 7 -10μm) Đường kính sợi lớn ( 50-85 μm)

Thích hợp cho hệ thống WDM Thích hợp cho hệ thống khác

Bảng 2.2 So sánh sợi đơn mode và sợi đa mode

2.4.4 Suy hao trên sợi quang

Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là yếu tố rất quan trọng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống thông tin sợi quang vì nó đóng vai trò chủ yếu xác định khoảng cách truyền dẫn cựa đại giữa phần phát và phần thu hoặc quyết định có

đặt bộ khuếch đại trên đường truyền hay không Cơ chế suy hao chủ yếu trên sợi là suy hao do hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng Suy hao do hấp thụ liên quan đến vật liệu chế tạo sợi, trong khi đó suy hao tán xạ liên quan cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo của cấu trúc sợi Ngoài ra còn có các suy hao bên ngoài bản chất sợi như suy hao ghép nối giữa sợi quang và bộ thu, suy hao do uốn cong quá giới hạn cho phép.

Suy hao tín hiệu trên sợi quang được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối

này là một hàm cuar bước sóng Người ta thường sử dụng

α để biểu thị suy hao tính theo dB/km

α =10/L*log(Pin/Pout)

Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, khi đó Pout= Pin

2.4.4.1 Suy hao tín hiệu do tạp chất hấp thụ

Sự không tinh khiết trong cấu trúc sợi quang là nguyên nhân chủ yếu gây nên suy hao Trong thủy tinh, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao Đặc biệt các ion OH tạo ra các đỉnh tổn hao ở các bước sóng 1200nm và 1400nm Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp gọi là các vùng cửa sổ truyền dẫn Đó là vùng cửa sổ thứ nhất 800nm, thứ hai là 1300nm và thứ ba là 1550nm được các hệ thống thông tin sợi quang sử dụng để truyền ánh sáng như minh họa hình trên

Hình 2.9 Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng

2.4.4.2 Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ

Suy hao này liên quan đến dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím và liên quan đến thủy tinh không kết tinh Suy hao xảy ra khi một photon tương tác với một điện

tử trong dải hóa trị và kích thích nó đến mức năng lượng cao hơn Bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu không kết tinh và kết tinh

2.4.4.3 Suy hao do tán xạ Rayleigh

Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi gây ra Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều

về cấu trúc hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi

Việc diễn giải suy hao do tán xạ gây ra là khá phức tạp do bản chất ngẫu nhiên của phần tử và các thành phần ôxit khác nhau của thủy tinh Đối với thủy tinh thuần khiết, suy hao tán xạ tại bước sóng  do sự bất ổn định về mật độ gây ra có thể được

diễn giải như công thức dưới đây:

Có 2 loại uốn cong sợi:

+ Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hay đường kính sợi khi ta uốn sợi theo một góc nào đó

+ Uốn cong vi mô: Trong lúc sợi được tạo thành cáp, sợi có thể bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, thường bị xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp

Hình 2.10 minh họa trường mode cơ bản trong đoạn sợi bị uốn cong Hiện tượng uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị trí sợi

bị uốn cong Đối với trường hợp sợi bị uốn cong ít thì giá trị suy hao xảy ra là rất ít

và khó có thể mà thấy được Tuy nhiên, khi bán kính uốn cong giảm dần thì suy hao

sẽ tăng theo quy luật hàm mũ cho tới khi bán kính đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì suy hao uốn cong thể hiện rất rõ Nếu bán kính uốn cong này nhỏ hơn giá trị điểm ngưỡng thì suy hao sẽ đột ngột tăng lên rất lớn

Hình 2.10 Trường mode cơ bản trong giai đoạn sợi bị uốn cong

Hình 2.11 minh họa trường hợp sợi bị uốn cong, có thể bị biến dạng khi bị tác động bởi ngoại lực Để giảm thiểu suy hao do uốn cong do tác động này, người ta

lồng lớp vỏ chịu áp suất bên ngoài sợi, lúc đó lớp vỏ sẽ bị biến dạng nhưng sợi vẫn

có thể

duy trì ở trạng thái tương đối thẳng

Hình 2.11 Vỏ chịu nén giảm vi uốn cong do các lực bên ngoài

Ngoài các suy hao trên thì còn có các lọai suy hao khác như suy hao do hiện tượng tán sắc

2.5 Thiết bị thu quang

2.5.1 Đặc điểm chung của máy thu quang

Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang,

nó có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu ban đầu, Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một

bộ giải điều chế và mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ điều khiều và hồi tiếp Bộ ghép tập trung tín hiệu quang và bộ tách sóng quang Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ

biến vì tín tương thích của chúng với toàn bộ hệ thống quang

Hình 2.12 Sơ đồ tổng quát máy thu quang

Đặc tính của hệ thống số được đặc trưng bởi tỉ lệ lỗi bit BER Nó được định nghĩa là xác suất trung bình của bit thu bị lỗi trong tổng số bit được phát đi Chẳng

hạn khi BER =10-9 thì tương ứng với xác suất xuất hiện một bit lỗi trong tổng số một tỉ bit được phát đi

Một hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu BER <10

-14 Đôi khi người ta còn

sử dụng mã để sửa sai, để đạt yêu cầu BER cho trước.

Một thông số quang trọng của máy thu là độ nhạy nó được định nghĩa là công suất quang trung bình nhỏ nhất đến máy thu sao cho máy thu vẫn làm việc bình thường nghĩa là thỏa mãn tỉ số BER cho trước tương ứng với tốc độ bit nhất định, độ nhạy phụ thuộc tỉ số tín hiệu trên nhiễu nghĩa là phụ thuộc vào các loại nguồn nhiễu khác nhau tác động vào máy thu

Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến đó là photodiode PIN

và photodiode thác APD có cấu trúc bán dẫn xen giữa p-i-n APD có thêm một lớp điện trường mạnh để tạo ra nhiều cặp điện tử lỗ trống cho phép tăng dòng photo

Nhằm nâng cao độ nhạy và tốc đọ đáp ứng của maý thu quang người ta

đã nghiên cứu và chế tạo các loại photodiode dựa vào các chất bán dẩn InGaAs

2.5.2 Cơ chế thu quang

Như đã nói ở trên, cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thụ ánh sáng trong chất bán dẫn Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng hoá trị được chuyển dời tới vùng dẫn nhưng nếu không có một sự tác động xảy

ra thì sẽ không thu được kết quả gì mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh

và tái hợp trở lại với các lỗ trống vùng hoá trị Do đó để biến đổi năng lượng quang thành điện ta phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử chưa kịp tái hợp Trong linh kiện thu quang, lớp chuyển tiếp P - N được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống Khi ánh sáng đập vào vùng P sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng N Trong quá trình đó, các điện tử và lỗ trống đã được tạo ra và tại vùng nghèo do hấp thụ photon sẽ chuyển động về hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường nên chúng tách rời nhau Vì không có điện trường ở bên ngoài vùng nghèo nên các điện tử và lỗ trống được tạo ra do hiệu ứng quang điện và sẽ tái hợp trong quá trình chuyển động của chúng Tuy nhiên, sẽ có một vài điện tử di chuyển vào điện trường trong quá trình chuyển động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng Và do đó có một điện thế sẽ được tạo ra giữa các miền P và N Nếu hai đầu của miền đó được nối với mạch điện ngoài thì các điện tử và lỗ trống sẽ được tái hợp

ở mạch ngoài và sẽ có dòng điện chạy qua

2.5.3 Nhiễu trong máy thu quang

+ Nhiễu dòng tối: Liên quan đến các điện tử và lỗ trống được tạo ra do nhiệt tại mối nối P -N của photodiode Chúng di chuyển theo điện áp phân cực bên ngoài, tạo ra dòng tối, khi không có ánh sáng tác động vào photodiode

+ Nhiễu nhiệt: Được tạo ra từ chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các điện tử ở một nhiệt độ nhất định

+ Các loại nhiễu chính trong máy thu quang bao gồm nhiễu lượng tử (hay còn

+ Nhiễu bắn (hot noise) biểu thị bản chất ngẫu nhiên (có tính xác suất) của ánh sáng (dưới dạng hạt) tác động vào photodiode Đồng thời, phản ánh đặc tính cơ bản của quá trình tách sóng là sự biến thiên của hạt mang photon được tạo ra trong photodiode.

2.5.4 Photodiode PIN

Photodiode PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Cấu trúc cơ bản của Photodiode PIN gồm các vùng P và N đặt cách nhau bằng một lớp tự dẫn I rất mỏng Để thiết bị hoạt động thì cần phải cấp một thiên áp ngược

để vùng bên trong rút hết các loại hạt mang Khi có ánh sáng đi vào Photodiode PIN thì sẽ xảy ra quá trình như sau Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong Photodiode thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn, quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử, lỗ trống Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh sáng tới bị hấp thụ (hình 2.13) Sự có mặt của trường điện cao trong vùng nghèo làm cho các hạt mang tách nhau ra và thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược Điều này làm tăng luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp mang được phát ra và dòng này gọi là dòng photon

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phái sinh ra một xung điện ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ

Hình 2.13 Sơ đồ vùng năng lượng của Photodiode PIN

Hình 2.14 Cấu trúc Photodiode thác và trường điện trong vùng trôi.

2.5.6 Đặc tính kỹ thuật của APD và PIN

- APD có độ nhạy thu cao hơn PIN từ 5 - 15dB

- Đãi động của APD rộng hơn PIN

- Dòng tối của APD lớn hơn so với PIN

- Độ ổn định của PIN tốt hơn so với APD nên APD cần mạch điện phức tạp hơn

- Tốc độ làm việc của APD cao hơn PIN

- APD có dòng nhiễu lớn hơn PIN

- APD có điện thế hoạt động cao và yêu cầu ổn định cao hơn PIN

- Giá thành sản xuất APD cao hơn PIN

2.5.7 Tham số cơ bản của thiết bị thu quang

2.5.7.1 Hiệu suất lượng tử

Hiệu suất lượng tử  được định nghĩa là tỷ số cặp điện tử - lỗ trống được sinh

ra trên số photon được hấp thụ Thường các diode đạt hiệu quả khoảng 30% đến 90%