Bài giảng thông tin quang

Nội dung Trang Mục lục 3 Đề cương chi tiết học phần 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 14 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 14 1.2. NGUYÊN LÝ TỔ CHỨC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 15 1.3. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 18 1.4. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 20 1.5. KHẢ NĂNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG 23 2.1. CƠ SỞ QUANG HỌC 23 2.2. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI SỢI QUANG 25 2.2.1. Cấu tạo sợi quang 25 2.2.2. Phân loại sợi quang 26 2.2.2.1. Theo cấu trúc vật liệu sợi 26 2.2.2.2. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 26 2.2.2.3. Phân loại theo đặc tính truyền dẫn 28 2.3. TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 30 2.3.1. Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode 31 2.3.1.1. Trong sợi SI 31 2.3.1.2. Trong sợi GI 34 2.3.2. Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode 37 2.4. SUY HAO TRONG SỢI QUANG 38 2.4.1. Tán sắc trong sợi quang 38 2.4.1.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng 38 2.4.1.2. Phân loại tán sắc 40 2.4.2. Suy hao 44 2.4.2.1. Định nghĩa 44 2.4.2.2. Các nguyên nhân gây ra suy hao trên sợi quang 45 4 2.4.2.3. Đặc tuyến suy hao 47 2.4.3. Hiệu ứng phi tuyến 48 2.5. MỘT SỐ LOẠI SỢI QUANG MỚI 48 2.5.1. Nguyên tắc tạo sợi quang mới 49 2.5.2. Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 51 2.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO SỢI QUANG 53 2.6.1. Phương pháp thanh ống cổ điển 53 2.6.2. Phương pháp nồi nấu đôi 54 2.6.3. Phương pháp đọng hơi hoá chất 55 2.6.4. Kéo sợi 57 2.7. CÁP SỢI QUANG 58 2.7.1. Yêu cầu kỹ thuật 58 2.7.2. Cấu tạo cáp quang 59 2.7.3. Phân loại 61 2.7.4. Một số loại cáp quang thông dụng 62 2.8. HÀN NỐI CÁP SỢI QUANG 63 2.8.1. Yêu cầu kỹ thuật 63 2.8.2. Các phương pháp hàn nối sợi quang 64 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 69 3.1. GIỚI THIỆU 69 3.2. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BỘ PHÁT QUANG 70 3.2.1. Các khái niệm cơ bản 70 3.2.2. Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết hợp 71 3.2.3. Nguyên lý bức xạ ánh sáng kết hợp – Nguyên lý Laser 72 3.2.4. Nguyên lý bức xạ ánh sáng của laser bán dẫn 73 3.2.4.1. Nguyên lý 73 3.2.4.2. Hiệu ứng chích động tử qua miền tiếp giáp PN 74 3.3. CÁC BỘ PHÁT QUANG 76 3.3.1. Yêu cầu về vật liệu chế tạo LED và LD bán dẫn 76 3.3.2. LED 77 3.3.2.1. Đặc điểm 77 3.3.2.2. Cấu trúc cơ bản của LED 78 5 3.3.2.3. Phân loại LED 79 3.3.2.4. Đặc tính của LED 81 3.3.3. Laser diode (LD) 85 3.3.3.1. Đặc điểm 85 3.3.3.2. Giới thiệu một số loại laser 86 3.3.3.3. Cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn 86 3.3.3.4. Đặc tính cơ bản của laser bán dẫn 89 3.4. CÁC NGUỒN LASER BÁN DẪN ĐƠN MODE 94 3.4.1. Yêu cầu 94 3.4.2. Điốt laser đơn mode có cấu trúc dị thể chôn BH 94 3.4.3. Điốt laser đơn mode loại hồi tiếp phân bố DFB 95 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ THU QUANG 99 4.1. GIỚI THIỆU 99 4.2. BỘ TÁCH SÓNG PHOTODIODE 100 4.2.1 Bộ tách sóng photodiode pin 100 4.2.2. Thời gian đáp ứng và dòng photo vùng trôi của bộ tách sóng quang 104 4.2.2.1 Thời gian đáp ứng 104 4.2.2.2. Dòng photo vùng trôi 107 4.2.3. Photodiode thác APD 108 4.2.4. Vật liệu chế tạo photodiode 112 4.3. TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU CỦA BỘ TÁCH SÓNG QUANG 113 4.3.1. Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang 113 4.3.1.1. Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng pin 113 4.3.1.2. Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD 116 4.3.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 116 CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 119 5.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 119 5.2. KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG 121 5.2.1. Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang 121 5.2.2. Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại 123 5.2.3. Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) 125 6 5.2.3.1 Bộ khuếch đại Febry Perot 126 5.2.3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA 128 5.2.4. Khuếch đại quang sợi 130 5.2.5. Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 131 5.2.5.1 Cấu trúc của modul EDFA 131 5.2.5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 135 5.2.5.3 Xu hướng phát triển của các modul EDFA 135 5.2.5.4 Tối ưu hóa độ dài sợi pha tạp Erbium (EDF) 138 5.2.5.5 Các thông số kỹ thuật của modul EDFA 139 5.2.6. Đánh giá các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA 147 CHƯƠNG 6: MẠNG WDM 152 6.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 152 6.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WDM 153 6.3. ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG WDM 155 6.4. VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA HỆ THỐNG WDM VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT TRONG TƯƠNG LAI 155 6.5. CHUYỂN MẠCH QUANG 156 6.6. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG WDM 157 6.6.1. Thiết bị đầu cuối OLT 157 6.6.2. Bộ ghép kênh xenrớt quang OADM 158 6.6.3. Bộ khuếch đại quang 161 6.6.4. Giới thiệu về bộ kết nối chéo quang OXC 163 6.6.4.1. Chức năng OXC 163 6.6.4.2. Phân loại OXC 166 6.7. SỰ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 167 6.8. ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG 169 6.8.1. Giới thiệu 169 6.8.2. Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng (RWA) 170 6.8.3. Định tuyến bước sóng 172 6.8.4. Định tuyến (Routing) 173 6.8.4.1. Giới thiệu 173 7 6.8.4.2. Phân loại định tuyến 174 6.8.4.3. Lí thuyết đồ thị 175 6.8.4.4. Các thuật toán cơ bản trong định tuyến 177 6.8.5. Gán bước sóng 184 6.8.6. Sự thiết lập đường ảo (Virtual path) 185 6.8.7. Phân loại mạng quang WDM 186 6.8.7.1. Mạng singlehop 186 6.8.7.2. Mạng Multihop 187 6.8.8. Giải thuật cho vấn đề định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi DRWA 187 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 190 7.1. CÁC NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 190 7.2. CÁC CƠ SỞ ĐỂ THIẾT KẾ TUYẾN 190 7.3. QUY TRÌNH THIẾT KẾ 192 7.3.1. Khảo sát điều kiện lắp đặt 192 7.3.1.1 Quy định chung 192 7.3.1.2 Quy định dụng cụ và phương pháp đo đạc 193 7.3.1.3 Quy định về chọn tuyến cáp 194 7.3.1.4 Nhiệm vụ cụ thể của khảo sát 197 7.3.2. Chọn tuyến 199 7.3.3. Lựa chọn sợi quang 199 7.3.3.1 Loại sợi quang 199 7.3.3.2 Tính toán chọn số lượng sợi quang 202 7.3.4. Chọn nguồn quang 202 7.3.4.1 Nguồn phát 203 7.3.4.2 Tách sóng 204 7.3.5. Lựa chọn thiết bị 205 7.3.6. Tính toán chiều dài trạm lặp 206 7.3.6.1. Xác định chiều dài khoảng lặp lớn nhất giới hạn bởi quỹ suy hao 206 7.3.6.2. Xác định chiều dài khoảng lặp lớn nhất giới hạn bởi tán 207 8 sắc 7.3.6.3. Chiều dài cực đại của khoảng lặp 207 7.3.7. Tính toán thời gian tăng sườn xung 207 7.3.8. Tính toán tỷ số lỗi bit BER 208 7.4. THI CÔNG LẮP ĐẶT 209 7.4.1. Quy định chung 209 7.4.2. Lắp đặt cáp 210 7.4.2.1 Cáp treo 210 7.4.2.2. Cáp chôn trực tiếp 214 7.4.3. Hàn nối sợi quang 218 7.4.4. Thi công tiếp đất 218 7.4.5. Thi công lắp đặt thiết bị, nhà trạm 218 Tài liệu tham khảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: THÔNG TIN QUANG

Theo chương trình đào tạo 150 TC

Số tín chỉ: 03 tín chỉ

Thái Nguyên, năm 2014

Tên tác giả biên soạn: TS Đào Huy Du

KS Lê Thị Huyền Trang

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: THÔNG TIN QUANG

Theo chương trình đào tạo 150 TC

Số tín chỉ: 03 tín chỉ

Thái Nguyên, ngày….…tháng …… năm 20…

Trưởng bộ môn Trưởng khoa Điện tử

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 14 1.2 NGUYÊN LÝ TỔ CHỨC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 15 1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.5 KHẢ NĂNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

2.2.2.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 26

2.3.1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode 31

2.3.2 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode 37

2.4.1.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng 38

2.4.2.3 Đặc tuyến suy hao 47

2.5.2 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 51

3.2.2 Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết hợp 71 3.2.3 Nguyên lý bức xạ ánh sáng kết hợp – Nguyên lý Laser 72 3.2.4 Nguyên lý bức xạ ánh sáng của laser bán dẫn 73

3.3.2.3 Phân loại LED 79

4.3 TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU CỦA BỘ TÁCH SÓNG QUANG 113 4.3.1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang 113

4.3.1.1 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng p-i-n 113

4.3.1.2 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD 116

5.2.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang 121 5.2.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại 123

5.2.3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot 126

5.2.5 Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 131

5.2.5.3 Xu hướng phát triển của các modul EDFA 135

5.2.5.4 Tối ưu hóa độ dài sợi pha tạp Erbium (EDF) 138

5.2.5.5 Các thông số kỹ thuật của modul EDFA 139 5.2.6 Đánh giá các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống truyền dẫn thông

6.4 VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA HỆ THỐNG WDM VÀ HƯỚNG GIẢI

6.6.4 Giới thiệu về bộ kết nối chéo quang OXC 163

6.8.4.2 Phân loại định tuyến 174

6.8.4.4 Các thuật toán cơ bản trong định tuyến 177

6.8.6 Sự thiết lập đường ảo (Virtual path) 185

6.8.8 Giải thuật cho vấn đề định tuyến và gán bước sóng với lưu

7.1 CÁC NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN

7.3.6.1 Xác định chiều dài khoảng lặp lớn nhất giới hạn bởi quỹ

7.3.6.2 Xác định chiều dài khoảng lặp lớn nhất giới hạn bởi tán 207

sắc

7.3.7 Tính toán thời gian tăng sườn xung 207

7.4.5 Thi công lắp đặt thiết bị, nhà trạm 218

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC

NGÀNH ĐÀO TẠO: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN: THÔNG TIN QUANG

(Học phần bắt buộc)

1 Tên học phần, mã số: Thông tin quang, TEE517

2 Số tín chỉ: 3TC

3 Trình độ cho sinh viên năm thứ: 5

4 Phân bố thời gian giảng dạy trong học kỳ:

Số tuần thực dạy 15 tuần/15 tuần kế hoạch

- Lên lớp lý thuyết: 3 (tiết/tuần) x 12 (tuần) = 36 tiết

- Thảo luận: 6 (tiết/tuần) x 3 (tuần) = 18 tiết

- Số tiết thực dạy: 36 tiết LT + 18 tiết thảo luận, bài tập, thí nghiệm, thực hành, kiểm tra thường xuyên = 54 tiết = 45 tiết chuẩn

5 Các học phần học trước:

Cơ sở thông tin số, Kỹ thuật truyền dẫn, Trường và sóng điện từ

6 Mục tiêu của học phần:

Sau khi học xong học phần sinh viên phải nắm được

Về kiến thức: hệ thống thông tin quang điều biến trực tiếp và kết hợp biết cách tổ chức và thiết kế hệ thống thông tin quang dựa trên phần mềm Optisystem

Về kỹ năng: Biết cách tổng hợp, phân tích, làm việc theo nhóm và phương pháp đặt vấn đề cũng như giải quyết vấn đề trong hệ thống thông tin quang

7 Mô tả vắn tắt nội dung học phần:

Học phần Thông tin quang bao gồm những nội dung kiến thức sau đây: Nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin quang Phân tích vị trí, chức năng và nguyên lý hoạt động của các thành phần cơ bản như: Nguồn quang, sợi quang, các thiết bị tách sóng quang, các bộ khuếch đại quang và ghép kênh quang theo bước sóng

Trình bày về phương pháp thiết kế một hệ thống thông tin quang với các thành phần cơ bản Kết hợp với việc sử dụng phần mềm thiết kế mô phỏng Optisystem 7.0

để thiết kế các hệ thống thông tin quang đơn giản Từ đó phân tích, tổng hợp các thông

số đo được như: Tỷ số lỗi bit BER, công suất quang, biểu đồ mẫu mắt… với lý thuyết

đã học

8 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Chuẩn bị bài trước khi lên lớp theo yêu cầu của giáo viên

- Chuẩn bị bài thảo luận, tiểu luận

- Thí nghiệm, thực hành

- Hoàn thành bài tập được giao

9 Tài liệu học tập và tham khảo:

- Sách, giáo trình chính:

[1] Đào Huy Du; Lê Thị Huyền Trang; Bài giảng thông tin quang; 2013

[2] Kỹ thuật thông tin quang; tập 1,2; Tổng cục Bưu Điện; NXB KHKT

[3] Optic Filber Communication Systems; Third Edition; Govind P Agrawal;

2002 John Wiley & Sons, Inc

- Sách tham khảo:

[4] Kỹ thuật thông tin quang; Hoàng Ứng Huyền; Tổng cục Bưu Điện NXB Bưu điện; 2000

[5] Linh kiện quang điện tử; Dương Minh Trí; NXB KHKT 1994

[6] Hệ thống thông tin sợi quang; Trần Hồng Quân; NXB KHKT 1993

[7] Optic Filber Communication; Principles and Practice – John M.Senior; Prentice Hall; 1985

[8] Principles and Applications Of Optical Commsunication; Max Ming – Kang Liu; 1996

10 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm

- Thảo luận, thí nghiệm, thực hành: 20%

- Kiểm tra thường xuyên tối thiểu 6 bài: 20 %

- Thi kết thúc học phần: 50 %

11 Nội dung chi tiết học phần (gồm cả lịch trình giảng dạy):

- Số tuần dạy lý thuyết: 12 tuần

- Số tuần thảo luận, bài tập: 3 tuần

Tuần

Tài liệu học tập, tham khảo

Hình thức học

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT

THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG

2.1 CƠ SỞ QUANG HỌC

[1] - [2] - [3] Giảng

2

2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI

QUANG

2.4 SUY HAO TRONG SỢI QUANG

2.4.1 Tán sắc trong sợi quang

[1] - [2] - [3] Giảng

3

2.4.2 Suy hao

2.4.3 Hiệu ứng phi tuyến

2.5 MỘT SỐ LOẠI SỢI QUANG MỚI

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO SỢI

5.2.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch

đại quang

5.2.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng

khuếch đại quang sợi

5.2.3 Khuếch đại Laser bán dẫn (SLA)

9

5.2.4 Khuếch đại quang sợi

5.2.5 Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi

pha tạp Erbium (EDFA)

5.2.6 Đánh giá các vấn đề kỹ thuật trong hệ

thống truyền dẫn thông tin quang sử dụng khuếch

đại quang sợi EDFA

[1] - [2] - [3] Giảng

10

CHƯƠNG 6: MẠNG WDM

6.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

6.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ

6.8.2 Giới thiệu về định tuyến và gán bước

sóng (Routing and Wavelength Assignment -

6.8.7 Phân loại mạng quang WDM

6.8.8 Giải thuật cho vấn đề định tuyến và gán

bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi DRWA [1] - [2] - [3] Giảng

TIN QUANG

7.1 CÁC NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HỆ

THỐNG THÔNG TIN QUANG

7.2 CÁC CƠ SỞ ĐỂ THIẾT KẾ TUYẾN

7.3.6 Tính toán chiều dài trạm lặp

7.3.7 Tính toán thời gian tăng sườn xung

7.3.8 Tính toán tỷ số lỗi bit BER

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN

QUANG

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin

từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài trăm mét tới hàng trăm kilômét, chẳng hạn như cự ly cần thông tin qua các đại dương Thông tin có thể được truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau từ vài trăm MHz tới hàng trăm THz Còn thông tin quang được thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng, và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin Các hệ thống này được phát triển rất nhanh và đang được ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn từ những năm 1980

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Nói về lịch sử thông tin quang, ta không thể không nói tới việc sử dụng thông tin bằng ánh sáng của nhân loại trước đây vốn là một trong những hình thức thông tin sớm nhất Ngay từ xa xưa, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu cho nhau

đó là sử dụng lửa của những người Hy Lạp trong thế kỷ XIII trước Công nguyên để truyền các tín hiệu báo động, lời cầu cứu hay các thông báo về một sự kiện nào đó Chỉ

có một loại tín hiệu được sử dụng và ý nghĩa của nó được quy định trước giữa người gửi và người nhận Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú phát triển phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của con người Các

hệ thống thông tin này được gán cho các tên gọi nhất định theo môi trường truyền dẫn

và đôi khi cả theo tính chất dịch vụ của hệ thống Thông thường các hệ thống sau thường kế thừa từ các hệ thống trước Các hệ thống mới được cải tiến và hoàn thiện hơn các hệ thống trước nó, chúng thường có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt

và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn yêu cầu của con người

Điều đáng chú ý nhất trong thông tin quang là sự ra đời của nguồn laser vào năm 1960 Vì các tần số ánh sáng cỡ 5.1014 Hz nên về lý thuyết nguồn laser có dung lượng thông tin lớn hơn các hệ thông viba 105 lần, tương đương bằng 10 triệu kênh

trường xung quanh đã khiến cho các hệ thống có tốc độ rất cao này trở nên kém hấp dẫn về mặt kinh tế so với nhu cầu dung lượng kênh thông tin lúc bấy giờ

Đồng thời với các thí nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì chúng có thể tạo ra kênh quang tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí Ban đầu thì suy hao cực lớn dẫn đến không thực tế (lớn hơn 1000dB/km)

Năm 1966: Kao, Hockham và Wertst gần như đồng thời phát hiện việc suy hao lớn là do độ không tinh khiết của vật liệu sợi và cho rằng có thể giảm được những giá trị suy hao này tới một giá trị mà ở đó các ống dẫn sóng ánh sáng trở thành môi trường truyền dẫn khả thi Vào thời điểm hai ông đưa ra đề xuất này, sợi quang có mức suy hao bằng hoặc hơn 1000dB/km

Năm 1970: Kapron, Kect và Maurer đã chế tạo được sợi Silica có suy hao 20dB/km (Hệ số suy hao công suất tín hiệu là 100 lần/km) Tại giá trị suy hao này thì khoảng cách bộ lặp của tuyến truyền dẫn quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, và do đó đã đưa được công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật Dẫn đến sự

ra đời của các hệ thống sợi quang ở bước sóng 850nm Bước sóng này được gọi là

“cửa sổ đầu tiên” trong sợi quang trên cơ sở silic

Tuy nhiên vào những năm 1980 khi công nghệ phát triển, thì cửa sổ đầu tiên này trở nên kém hấp dẫn hơn do giới hạn suy hao tương đối cao 3dB/km Hầu hết các công ty chuyển sang “cửa sổ thứ hai” ở bước sóng 1300nm, với hệ số suy hao thấp hơn khoảng 0,5dB/km

Trong hai thập kỷ tiếp theo, người ta đã nghiên cứu để làm giảm suy hao xuống còn 0,16dB/km (suy hao công suất tín hiệu là 4%/km) tại “cửa sổ thứ ba” với bước sóng 1550nm, một giá trị gần với giá trị lý thuyết là 0,14dB/km

Đến với kỹ thuật thông tin quang người ta có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống truyền dẫn điện Hiện nay đã chế tạo được các

hệ thống truyền dẫn hàng trăm Mb/s hoặc tới vài Gb/s, và một số nước đã có trên 50% kênh truyền dẫn là các kênh truyền dẫn quang Các xu hướng nghiên cứu mới là tạo ra các hệ thống truyền dẫn dải rất rộng tới hàng chục Gb/s, đồng thời chuyển lĩnh vực chuyển mạch điện tử sang chuyển mạch quang

Với trình độ cao về thông tin hiện nay, thông tin quang vẫn nổi lên là hệ thống thông tin tiên tiến và được triển khai rộng rãi, nhất là đối với các tuyến đường trục quốc gia, các tuyến cáp biển quốc tế

1.2 NGUYÊN LÝ TỔ CHỨC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Thông tin quang được tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung

Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trên hình 1.1.b Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộ nhờ so sánh với một hệ thống truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển như trên hình 1.1.a

* Các phần tử của hai hệ thống là tương đồng nhau:

- Nguồn tín hiệu: thông tin là như nhau, đều là các dạng thông tin thông thường

hiện nay như: tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản, v.v

- Phần điện tử: là phần chung của hai hệ thống, để xử lý nguồn tin, tạo ra các

tín hiệu đưa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A)

- Bộ biến đổi điện quang (E/O): để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào cường

độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng như bộ điều biến trên hình 1.1.a Cũng như trong thông tin điện, với nhiều phương thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào bức xạ quang Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lí điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng, còn các hệ thống Coherence trong tương lai thì áp dụng nguyên lí điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ Coherence là các bức xạ kết hợp Tín hiệu ra phát (điểm C) là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra tại C trên hình 1.1.a là các tín hiệu cao tần được điều biến biên độ hoặc pha hoặc tần số

Có một số yêu cầu với các bộ E/O như sau: Có 3 yêu cầu cơ bản:

+ Bước sóng công tác phải phù hợp với cửa sổ truyền dẫn của sợi quang

+ Công suất phát phải lớn: nhằm mục đích tăng cự ly truyền dẫn

+ Độ rộng phổ phải hẹp: Càng hẹp càng tốt, càng hẹp càng đắt để tập trung công suất hơn

Ngoài ra, bộ biến đổi phải tiêu thụ năng lượng ít Tuổi thọ, kích thước, trọng

Phần

điện tử

Phần điện tử

biến

Kênh truyền dẫn

Nguồn

tín hiệu

Tín hiệu thu

Phần

điện tử

Phần điện tử

Biến đổi điện - quang E/O

Biến đổi quang - điện O/E

Nguồn

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện (a) và quang (b)

- Sợi quang (SQ): để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến,

có vai trò như kênh truyền dẫn trên hình 1.1.a và cũng có yêu cầu giống như môi trường truyền dẫn khác:

+ Tiêu hao nhỏ -> độ tinh khiết cao

+ Độ rộng băng tần lớn -> đáp ứng dung lượng truyền cao qua nó

+ Méo tín hiệu phải nhỏ

- Bộ biến đổi quang điện (O/E): là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi

quang đưa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu phát đi Nó có vai trò như bộ giải điều biến trên hình 1.1.a Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang), nhưng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đưa vào phần điện tử, tách ra tín hiệu thu giống tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu Một số yêu cầu cơ bản như sau:

+ Độ nhạy của máy thu lớn

+ Thời gian đáp ứng nhanh

+ Nhiễu phải nhỏ

- Tải tin: Trong hệ thống điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ

thống quang là ánh sáng cũng là sóng điện từ song có tần số rất cao (1014  1015 Hz),

do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rộng

- Vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Cũng như ở hệ thống điện, tín hiệu truyền đưa

trên đường truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có trạm lặp để khuếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu (tín hiệu digital) Do đó, các trạm khuếch đại trung gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện ba bước sau:

+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện

+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu dưới dạng điện

+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi

Nhược điểm của trạm lặp 3 chức năng này là thiết bị cồng kềnh và hạn chế tốc

độ Vì vậy, xu hướng là sẽ thay thế các trạm lặp 3 chức năng thành các trạm lặp 1 chức năng: Trạm khuếch đại quang

- Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai

đại lượng:

+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được

+ Cự li trạm lặp, hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp

=> Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly trạm lặp rất lớn Thực tế các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống truyền dẫn điện ở cả hai yêu cầu trên Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố liên quan nhau như sau:

1- Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang

2- Công suất bức xạ và khả năng điều biến của linh kiện phát quang

3- Độ nhạy của máy thu quang

4- Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến

Do vậy, trong các chương tiếp sau sẽ lần lượt nghiên cứu từng phần tử của hệ thống như trên sơ đồ khối hình 1.1.b và mối liên quan giữa các tham số đặc trưng của chúng để ngày càng tăng năng lực truyền dẫn của các hệ thống truyền dẫn quang

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Cho đến nay, các hệ thống thông tin quang không còn được gọi là các hệ thống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lưới với các cấu trúc khác nhau Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này Theo quan niệm thống nhất như vậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như hình 1.2

Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang – còn gọi là bộ phát quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang – hay bộ thu quang Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện 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 có hại từ môi trường bên ngoài Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Thu

quang Mạch điện

Phát quang

Khuếch đại quang

Tách sóng quang

Chuyển đổi tín hiệu

Các thiết

bị khác

Tín hiệu điện ra

Sợi dẫn quang

Mối hàn

Bộ nối quang

Bộ thu quang

Bộ phát quang

Trạm lặp

Xen rẽ kênh

Bù tán sắc

phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp Ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù tán sắc, và các trạm xen rẽ kênh, tất

cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Tương tự như cáp đồng, việc lắp đặt cáp quang có thể là treo, đi trong ống dẫn, thả dưới biển hay chôn trực tiếp dưới đất Độ dài của sợi cáp sẽ nằm trong khoảng từ một vài trăm mét tới vài kilômét đối với những ứng dụng có khoảng cách truyền dẫn lớn Tuy nhiên đôi khi kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp được kéo trong cống sẽ không thể cho phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho treo hoặc chôn trực tiếp Một tuyến truyền dẫn đường dài hoàn chỉnh thường được hình thành bằng cách ghép nhiều đoạn cáp đơn với nhau Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao, đó là một hàm của bước sóng

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điôt phát quang (LED) hoặc laze bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, có tín hiệu quang đầu ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào của thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách thay đổi dòng điện đi đến nguồn quang

Sau khi tín hiệu quang được phát vào sợi quang, nó sẽ bị suy hao và bị tăng dần

độ méo theo khoảng cách do hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc, và một số ảnh hưởng khác gây nên Bộ tách sóng quang trong thiết bị thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện Các photodiot p-i-n và photodiot thác APD đều có thể sử dụng làm các

bộ tách sóng quang trong hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độc chuyển đổi nhanh Với các ứng dụng mà tín hiệu ánh sáng thu được có công suất thấp thì thường sử dụng APD vì nó có độ nhạy cao hơn nhờ cơ chế khuếch đại nội (hiệu ứng thác)

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế các thiết bị trạm lặp quang Nó thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không phải thông qua quá trình biến đổi quang – điện

Thực tế, trên tuyến truyền dẫn dài đi qua một số các điểm cần thông tin với nhau, hệ thống cần phải có thêm các trạm xen rẽ kênh Các thiết bị xen rẽ kênh thực hiện tách các kênh cần thiết trong tổng các kênh được truyền dẫn tại nơi nhận các kênh thông tin này, và cũng có thể ghép xen thêm kênh tại nơi muốn gửi thông tin đi Việc

xen rẽ kênh thường được thực hiện thông qua các thiết bị ghép kênh điện và gọi là thiết bị ADM Tuy nhiên thời gian gần đây, các thiết bị xen rẽ kênh quang OADM đã được ứng dụng Cho phép tách/ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang trên tuyến truyền dẫn, và như vậy không cần phải thông qua quá trình biến đổi quang – điện

1.4 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

a) Phân loại theo dạng tín hiệu điện

Tuỳ theo dạng tín hiệu đưa vào điều biến nguồn quang mà có thể chia thành các

hệ thống sau:

* Hệ thống OFC tương tự: Hiện ít được sử dụng bởi các lý do:

- Các tính chất phi tuyến của các phần tử quang điện

- Đặc tính tán sắc của sợi làm cho tín hiệu tương tự bị thay đổi nhiều (lệch phase, )

* Hệ thống OFC số: Được sử dụng phổ biến trên mạng viễn thông để truyền dẫn các tín hiệu được điều chế theo phương pháp điều xung mã và phương pháp ghép

kênh theo thời gian với các kỹ thuật PDH và SDH

b) Phân loại theo phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu quang

* Hệ thống điều chế cường độ và tách trực tiếp (IM-DD):

- Nguyên tắc: Tín hiệu được đưa vào trực tiếp điều biến cường độ bức xạ nguồn quang Cường độ bức xạ thay đổi tỷ lệ trực tiếp với tín hiệu điện (tại đầu phát) đưa vào Tại đầu thu, tín hiệu điện được tách trực tiếp từ tín hiệu quang thu được

- Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong mạng Viễn thông (1978) Ban đầu

sử dụng các sợi đa mode với tốc độ thấp, cự li truyền dẫn ngắn Sau đó sử dụng sợi đơn mode công tác ở bước sóng 1300nm (Thế hệ sau sử dụng ở bước sóng 1550nm) thì tăng được tốc độ cũng như cự li truyền

- Các hệ thống thông tin quang hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên

* Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent):

- Điều biến gián tiếp nguồn quang tại đầu phát

- Luồng tín hiệu điện và 1 luồng ánh sáng đơn sắc được đưa vào một bộ điều biến quang Tại đầu thu thì tín hiệu quang thu được cùng với 1 luồng ánh sáng đơn sắc (Tín hiệu quang nội) được đưa vào bộ trộn quang để tách ra một tần số tín hiệu quang trung gian Sau đó, tín hiệu quang trung gian này được đưa vào bộ tách sóng quang để lấy ra được tín hiệu điện ban đầu

c) Phân loại theo tốc độ, cự li truyền dẫn

Chủ yếu đối với hệ thống thông tin đường dài, chúng bao gồm các đường truyền dẫn kết nối giữa các tổng đài Mạng kết nối giữa các vùng hoặc là các đường trục, mạng thuê bao đa dịch vụ Căn cứ vào đó, người ta đã chia một các tương đối

như sau:

- Hệ thống OFC có tốc độ nhỏ và trung bình: Tốc độ 2M, 8M, 34M truyền vài

km trong mạng đô thị và 1030 km trong mạng nông thôn mà không cần đến trạm lặp

- Hệ thống có tốc độ lớn: Tốc độ 140M, 155,52Mbps được sử dụng trên các mạng trung kế với cự li truyền là 2030 km không cần đến trạm lặp

- Hệ thống có tốc độ rất lớn: Tốc độ 565M, 622,08Mbps với cự li truyền 4060

km, thường dùng cho các hệ thống liên tỉnh

- Hệ thống có tốc độ cực lớn: Tốc độ > 2,5Gbps và cự li truyền là 80100 km Đối với các tuyến truyền ngắn thì giá thành của hệ thống chủ yếu là do các phần tử thu và phát quyết định Còn đối với các tuyến truyền dài thì chi phí cho hệ thống lại là cáp và chi phí xây lắp

1.5 KHẢ NĂNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Sự phát triển và ứng dụng của các hệ thống sợi quang đã bùng nổ do sự kết hợp của công nghệ bán dẫn, công nghệ đã cung cấp các nguồn ánh sáng và các bộ tách quang cần thiết và công nghệ ống dẫn sóng quang Kết quả là đã tạo ra tuyến truyền dẫn thông tin có các ưu điểm nổi bật so với các hệ thống cáp đồng truyền thống:

- Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn: Sợi quang có các giá trị suy hao

truyền dẫn thấp và độ rộng băng thông lớn hơn cáp đồng Cáp quang hiện nay cho phép tăng được nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đường kính cáp rất ít Điều này có nghĩa là có thể truyền đi được nhiều dữ liệu hơn ở khoảng cách dài hơn với hệ thống cáp quang Do đó sẽ giảm được số lượng cáp, giảm số lượng trạm lặp cần thiết, cũng như giảm chi phí và tính phức tạp của hệ thống

- Kích cỡ và trọng lượng nhỏ: Trọng lượng và kích cỡ của sợi quang nhỏ

(đường kính mẫu của sợi quang là 0,1mm nhỏ hơn rất nhiều so với cáp đồng trục có đường kính 10mm) là một ưu điểm nổi bật so với cáp kim loại khi lắp đặt trong các cống bể ngầm, trên cột, hộp cáp Ưu điểm này của cũng rất quan trọng trong các lĩnh vực công nghệ rất cao như: Vũ trụ, vệ tinh, kỹ thuật quân sự, yêu cầu việc lắp đặt phải gọn gàng, nhanh chóng

- Chống can nhiễu tốt: Đặc điểm quan trọng nhất này của cáp sợi quang liên

quan đến bản chất điện môi của chúng Chính bản chất này cho phép cáp sợi quang có khả năng chống sét, chống can nhiễu điện từ trường cảm ứng từ các đường dây mang tín hiệu Đặc tính này cũng đảm bảo cho cáp quang không chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng xung, đây là lĩnh vực được đặc biệt quan tâm trong các ứng dụng quân sự

- Cách điện tốt: Vì cáp quang được chế tạo bằng thuỷ tinh là chất cách điện nên

việc tiếp đất là không cần thiết, xuyên âm sợi sang sợi là rất nhỏ Điều này cũng làm cho việc sử dụng sợi quang trở nên hấp dẫn hơn trong môi trường điện áp cao

- Bảo mật: Sử dụng cáp quang để truyền dẫn sẽ tăng khả năng bảo mật tín hiệu

vì ánh sáng được truyền trong ống dẫn và không có bức xạ ánh sáng ra ngoài Điều này làm cho cáp quang trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng mà việc bảo mật thông tin

là quan trọng như: ngân hàng, các mạng máy tính và các hệ thống quân sự

- Nguyên liệu thô có sẵn: Silica là nguyên liệu chính chế tạo cáp quang và nó

rất sẵn và rẻ (vì nó có trong cát thường) Chi phí sản xuất cáp quang chủ yếu tập trung

ở công nghệ làm tinh khiết vật liệu thô

Người ta tính toán rằng, nếu chế tạo được 100.000 km/năm thì giá thành một hệ thống truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn trên cáp kim loại có cùng năng lực truyền dẫn Như vậy, với nhiều ưu điểm trên đã cho chúng ta thấy một công nghệ tiên tiến bậc nhất và nhiều hứa hẹn phát triển trong tương lai

Câu hỏi lý thuyết:

LT 1.3.1 Trình bày tổng quan về tổ chức hệ thống thông tin quang?

LT 1.3.2 Trình bày và phân tích ưu điểm của hệ thống thông tin quang?

LT 1.3.3 Hãy trình bày khả năng ứng dụng của thông tin quang?

LT 1.3.4 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang, chức năng các phần tử

trong hệ thống và so sánh với hệ thống truyền dẫn tín hiệu điện?

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG

Cáp quang, hay còn gọi là cáp sợi quang, bao gồm hai thành phần chính là sợi quang và các lớp bọc cáp Sợi quang, hay còn gọi là sợi dẫn quang, là thành phần chính của cáp có chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng Vì vậy khi nói đến môi trường truyền dẫn quang của hệ thống thông tin quang, thì ta chỉ cần diễn giải trên sợi quang

là đủ Các lớp bọc sợi để tạo thành cáp quang có chức năng chính là bảo vệ sợi khỏi

bị tác động từ các yếu tố môi trường bên ngoài Mỗi một lớp cáp có cấu trúc lớp bọc khác nhau phù hợp với từng môi trường lắp đặt cáp Vì vậy, chương này ta sẽ chủ yếu

đi tìm hiểu về sợi quang và các đặc tính quang của sợi

2.1 CƠ SỞ QUANG HỌC

Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm, 1550nm

Hình 2.1 Phân vùng dải tần số (bước sóng) của ánh sáng

Nguyên lý cơ bản truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn Chiết suất của môi trường được xác định bằng

tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường ấy

v

c

Trong đó: n: chiết suất của môi trường

c: vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s)

Các tia X

Tia cực tím

ánh sáng

Vô tuyến

Phát thanh TV

v: vận tốc ánh sáng trong môi trường

Định luật khúc xạ Snell: n1 sin = n2 sin (2-2)

Ở đây, vì n1 n2 cho nên  nếu tăng  thì  cũng tăng theo và  luôn luôn lớn hơn 

Khi tia tới đạt đến góc T (tia 2) thì nó không đi vào môi trường thứ hai nữa, mà bị khúc xạ chạy song song với mặt phân cách, góc khúc xạ T = 900

Theo (2-2) thì ta sẽ có:

1

2 sin

n

n

T 

Bây giờ nếu tiếp tục tăng sao cho  T thì tia sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách

và trở lại môi trường 1, do đó người ta gọi T là góc tới hạn Độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường (công thức 2-3) Muốn có phản xạ toàn phần cần có hai điều kiện sau:

=> Người ta ứng dụng nguyên tắc này để chế tạo sợi dẫn quang Ở sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng được truyền dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong lõi sợi quang

2.2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI SỢI QUANG

2.2.1 Cấu tạo sợi quang

Hình 2.3 Cấu trúc sợi quang

Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, như vậy nó có dạng hình trụ thường và có chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó

Hình 2.4 là cấu tạo sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính là

a và đường kính là dK và một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột, có chiết suất n2 < n1 và đường kính là dm Các tham số n1,

n2 và a quyết định các đặc tính truyền dẫn của sợi quang Người ta gọi đó là các tham

số cấu trúc Từ n1 và n2 người ta định nghĩa:

Độ lệch chiết suất: nn1n2 (2-4)

và độ lệch chiết suất tương đối:

2 1

2 2 2 1 1

2 1

n n n

n n n





=> Hai tham số này cũng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi

Vật liệu cấu tạo ra lõi sợi thông thường là thuỷ tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu như vậy thường có suy hao nhỏ và trung bình Loại sợi có lõi là chất dẻo thường có suy hao lớn và trong thông tin nó không được sử dụng Để tránh cọ trầy sước vỏ, sợi quang thường được

Hình 2.4 Cấu tạo sợi quang

bao bọc thêm một lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị răn lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt; mặt khác cũng tạo điều kiện để bọc sợi thành cáp sau này Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp

2.2.2 Phân loại sợi quang

Việc phân loại sợi dẫn quang có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau như: theo cấu trúc vật liệu sợi, theo sự biến thiên của chỉ số chiết suất hay theo đặc tính truyền dẫn Trong thực tế, đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia ra sợi đơn mode

và đa mode, vì trong đó cũng bao gồm cả sự khác biệt nhau về cấu trúc của vỏ và ruột sợi

2.2.2.1 Theo cấu trúc vật liệu sợi

Là việc phân chia theo kích thước ruột và vỏ hay theo loại vật liệu sử dụng Tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia quy định và cũng đang được tiêu chuẩn hoá quốc tế Một số loại sợi có kích thước và vật liệu như trong bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1 Phân loại sợi theo kích thước và cấu trúc vật liệu

Vật liệu ruột dK (m) Vật liệu vỏ dm (m)

Sợi đa mode

- Thuỷ tinh thạch anh

- Thuỷ tinh nhiều

thành phần

- Thuỷ tinh thạch anh

nhiều thành phần

- Nhựa tổng hợp

Sợi đơn mode

- Thuỷ tinh thạch anh

50 50 200 100 200 1000 200 1000 5 10

- Thuỷ tinh thạch anh

- Thuỷ tinh nhiều thành phần

- Nhựa tổng hợp

- Nhựa tổng hợp

- Thuỷ tinh thạch anh

125 125 380 200 380 1200 250 1200

125

Bên ngoài lớp vỏ sợi còn được phủ 1 hoặc 2 lớp bao che để khi chế tạo thành cáp có tác dụng chống ẩm và tăng độ bền cơ học, ngăn cản các chỗ rạn nứt trên một vỏ sợi làm giảm chất lượng truyền dẫn Do vậy, nếu sợi có đường kính vỏ là 125m, thì đường kính sợi với lớp bảo vệ thứ nhất là d  245m

2.2.2.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

a/ Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step-Index)

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

b/ Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Hình 2.7 Dạng chiết suất lớp bọc

- Dạng dịch độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

Hình 2.5 Biểu đồ chiết suất của sợi SI

Hình 2.6 Biểu đồ chiết suất của sợi GI

- Dạng san bằng tán sắc: Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người

ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

Hình 2.9 Dạng san bằng tán sắc

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

2.2.2.3 Phân loại theo đặc tính truyền dẫn

Ta sẽ phân chia ra làm hai loại chính đó là: sợi đa mode và sợi đơn mode Đặc điểm của sợi đa mode là truyền dẫn đồng thời nhiều mode, tạm thời hiểu là một loại sóng, hoặc một tia thành phần, còn sợi đơn mode chỉ truyền dẫn duy nhất một mode Sợi đa mode có đường kính ruột khá lớn, còn sợi đơn mode thì lại rất nhỏ

Nếu hiểu mode là các tia sáng thành phần được truyền dẫn, thì trong sợi đa mode có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, còn trong sợi đơn mode chỉ có một mode là một tia chạy song song với trục của sợi

a/ Sợi đa mode (MM: Multi Mode)

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50m

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m

- Độ chênh lệch chiết suất:  = 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 = 1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

b/ Sợi đơn mode (SM: Single Mode)

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc

do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Hình 2.11 Các thông số trong sợi đơn mode

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Đường kính lõi: d = 2a =9m  10m

Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m

Độ lệch chiết suất:  = 0,003 = 0,3%

Chiết suất lõi: n1 = 1,46

=> Kết luận: Thông thường tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được

từng quốc gia qui định và cũng đang được tiêu chuẩn hoá quốc tế Như vậy có thể tạm thời chia các loại sợi quang thành ba loại:

- Sợi đơn mode:

Là loại sợi có chiết suất lõi không đổi

Đối với sợi đa mode thì loại sợi SI-MM trong thực tế loại này ít dùng vì suy hao lớn, sợi GI-MM chỉ được dùng trong các tuyến cự li ngắn và trung bình với tốc độ

số liệu khoảng vài chục Mbit/s Còn sợi đơn mode thường được dùng ở các tuyến đường trục tốc độ cao cỡ vài chục Gb/s

2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

* Nguyên lý truyền dẫn chung: Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi

quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2; với n1  n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó, ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn

Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng Chỉ một vài mode riêng biệt nào đó có khả năng truyền dọc theo suốt chiều dài của sợi, trong số nhiều mode được ghép vào tại đầu sợi Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi

Sợi quang không phải là một kênh truyền dẫn lí tưởng Do chịu ảnh hưởng của các qui luật lan truyền sóng ánh sáng trong các sợi dẫn sóng điện môi, nên ánh sáng lan truyền sẽ bị suy giảm dần, và tín hiệu ánh sáng bị biến dạng

Đối với sợi đa mode, để đơn giản việc xem xét quá trình truyền ánh sáng người

ta có thể sử dụng phương pháp quang hình học, chủ yếu là xem xét ánh sáng được lan truyền dưới dạng các tia sáng thành phần riêng rẽ Tuy nhiên với sợi đơn mode, chỉ tồn tại duy nhất một mode, và dưới dạng tia sáng thì đó chỉ là một tia trục chạy song song với trục quang của sợi, thì công cụ duy nhất để nghiên cứu lại là phương pháp của quang học sóng Vì vậy, ở đây ta chỉ trình bày một số kết quả khái quát nhất

n1

n2 n

Lớp bọc (cladding) n2

Lớp bọc (cladding) n2 Lõi (core) n1

Hình 2.12 Sự lan truyền của tia sáng trong sợi quang

2.3.1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode

2.3.1.1 Trong sợi SI

Chiết suất của vỏ n2 nhỏ hơn n1 của ruột khoảng 1%

Ta xét hình bổ dọc trục sợi, xem xét các tia sáng lan truyền trong một mặt phẳng như trên hình 2.13

Hình 2.13 Sự lan truyền các tia sáng trong sợi SI

Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang phải đi qua môi trường không khí có chiết suất n=1, rồi vào ruột sợi có chiết suất n1 > n Vì thế khi đi qua mặt cắt đầu sợi, các tia sẽ bị khúc xạ Chùm ánh sáng đi vào sợi là vô số tia với các góc tới khác nhau Trong sợi có một tia chạy song song với trục quang của sợi (tia 1), và nhiều tia khác tạo với trục quang một góc nghiêng A Khi tới mặt phân cách vỏ - ruột các tia này tạo với pháp tuyến của mặt phân cách một góc tới ’T thoả mãn điều kiện:

’T = 900 - A

Để các tia này lan truyền được trong ruột sợi đến đầu cuối sợi thì tại mặt phân cách vỏ - ruột phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần Góc tới hạn để có phản xạ toàn phần là T được tính theo (2-2) và (2-3)

Từ đó ta có: arcsin arcsin( 1 )

1 1

2

n

n n

Các tia muốn được lan truyền phải có góc tới ’T > T Các tia được phản xạ sẽ

đi qua tâm sợi đến phía đối diện, tại đó lại được phản xạ toàn phần ngược lại Cứ như vậy các tia chạy theo đường zigzag đến cuối sợi

Tương ứng với góc T có góc nghiêng lớn nhất cho phép của các tia so với trục quang là Amax: Amax = 900 - T (2-7)

Các tia sáng muốn lan truyền mà còn thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần thì phải có góc nghiêng A thoả mãn điều kiện:

0 AAmax (2-8)

Ở các sợi SI dùng thuỷ tinh thạch anh, giá trị của

1

n n



nằm trong phạm vi từ 0,010,03 do vậy góc nghiêng lớn nhất Amax = 80  140

n2

n1Nguồn

Mặt khác A là góc khúc xạ của tia khi đi từ không khí qua tiết diện mặt cắt vào trong ruột sợi Góc Amax là góc khúc xạ lớn nhất cho phép để còn thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt phân cách vỏ - ruột sợi Tương ứng với Amax có góc tới lớn nhất cho phép max là góc hợp bởi tia từ nguồn sáng qua không khí đến mặt cắt sợi và pháp tuyến mặt cắt, trùng với trục quang của sợi Theo (2-2) ta có:

max 1

max sin sin

Vì ta có n=1 cho nên: sinmaxn1 sinAmaxn1 cosT

) cos arcsin(

) sin

max  arcsin(n 2  )  arcsin n n

1

2 2 2

 là độ lệch chiết suất tương đối

Muốn các tia trong sợi SI được truyền dẫn còn phản xạ toàn phần trên mặt phân cách vỏ - ruột thì các tia đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón các tia với nửa góc

mở là max ở đầu cuối sợi, các tia cũng được bức xạ dưới dạng một hình nón với góc

mở bằng góc lý thuyết max

Để đặc trưng cho khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi, người ta định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho sợi là độ mở (khẩu độ số) NA:

2 2 2 1 1

max 2

Ví dụ 1: Cho một sợi đa mode SI có n1 = 1,48 và n2 = 1,46

Khi đó ta sẽ có NA = 0,242 và theo (2-9) có góc mở max = 140

Ví dụ 2: Cho một sợi đơn mode SI có n1 = 1,46 và  = 0,003

Ngoài các tia kinh tuyến còn có các tia nghiêng (hình 2.14.b) Khi phản xạ các tia này không đi qua trục sợi, và qua phản xạ nhiều lần người ta thấy chúng có xu hướng tiến đến gần một hình tròn giới hạn ở quanh tâm sợi, và cũng không nằm trên một mặt phẳng như các tia kinh tuyến

Vì vậy các góc mở lớn nhất max chỉ là góc mở lý thuyết, còn trong thực tế thì giới hạn tiếp nhận tia của sợi có thể tăng lên một chút

Với mỗi loại sợi được chế tạo, giá trị cho trước của độ mở NA cho biết khả năng truyền dẫn của sợi Vì khẩu độ số có liên quan tới góc vào lớn nhất, cho nên nó chỉ thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng của sợi, cũng vì thế mà cho phép ta tính toán được hiệu quả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang Giá trị của khẩu độ số luôn nhỏ hơn một đơn vị và nằm trong dải từ 0,14 đến 0,5 Bảng 2.2 là một số giá trị khẩu độ số đối với sợi đa mode ứng với kích thước sợi khác nhau

Bảng 2.2 Kích thước sợi và khẩu độ số tương ứng

Đường kính lõi sợi

(m)

Đường kính vỏ phản xạ

50 62,5

Như đã nói ở trên, các tia chạy với các đường kính zigzag khác nhau đến cuối sợi sẽ có độ dài quãng đường khác nhau, cho nên từng tia sáng thành phần có thời gian lan truyền tới cuối sợi khác nhau, bởi vì trong ruột sợi có chiết suất n1 = const nên vận tốc lan truyền của các tia là như nhau:

const n

m

5 , 1

/ 10

c

n L L v

L v

L t t

min max max

max





Do đó, độ lệch thời gian lớn nhất trên một kilômét sợi là:

c n

NA c

n L

t

2

.

1

2 1

max   



Theo (2-13), độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỉ lệ thuận với độ mở

NA2, cho nên với sợi SI có góc mở lớn thì độ lệch thời gian lớn Sau này ta sẽ thấy nó hạn chế độ rộng băng và tốc độ truyền dẫn, nên cần chọn sợi có NA càng nhỏ càng tốt

Tương ứng với độ mở NA = 0,2  0,37 thì độ lệch thời gian lớn nhất trên một

L

t

/ 150 50 max  



Ngược lại hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn bức xạ vào sợi quang lại tỉ lệ thuận với bình phương của NA:

2 1

2 2

Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

Hình 2.15 Hiện tượng lỗi tín hiệu điện khi truyền trong sợi đa mode SI

2.3.1.2 Trong sợi GI

Đặc điểm của sợi là chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo bán kính, còn vỏ thì

có chiết suất không đổi Trong ruột sợi chiết suất giảm dần từ giá trị lớn nhất n0 ở tâm

d1

d2

d3

sợi cho đến giá trị nhỏ nhất bằng n2 tại mặt phân cách vỏ - ruột và là một hàm số của bán kính r hoặc tỉ số r/a

1 2 ( / )  ( / 1 ) )

Thực tế hàm f(r/a) biến thiên theo qui luật của một hàm mũ:

g

a r a r

và g được gọi là tham số mặt cắt

Sợi GI có tham số g thoả mãn điều kiện 1  g 3 thì có độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất, đặc biệt với g  2 Do vậy các sợi quang GI sử dụng trong viễn thông đều được chọn là sợi có g 2 Lúc này hàm f(r/a) biến thiên theo hàm Parabol, nên đôi khi còn gọi sợi GI có g  2 là sợi có chiết suất Parabol Do chiết suất trong ruột sợi biến thiên, nên vận tốc truyền ánh sáng trong ruột không phải là một hằng số mà cũng là một hàm số biến thiên theo bán kính r:

) ( ) ( 1 1

r v n

c n

c v

và thời gian truyền của các tia này bằng nhau với chu kỳ khoảng vài milimét, như trên hình 2.16

Theo phương pháp quang hình thì ở đây không thể quan sát được các tia nghiêng, mà chỉ có thể quan sát và nghiên cứu được các tia kinh tuyến

Tia 2: Tia không đến mặt giới hạn vỏ - ruột

Tia 3: Tia vừa đạt đến mặt giới hạn vỏ - ruột

Với sợi có tham số mặt cắt dạng Parabol (g = 2) thì các tia kinh tuyến chạy dọc theo dạng đường cong của hàm sin Nếu phá vỡ quy luật truyền dẫn hình sin, thì biên

độ sóng vượt quá bán kính của ruột sợi, đi vào vỏ, trong đó các tia tiếp tục truyền theo đường thẳng, vì chiết suất n2 = const, và sẽ đi ra khỏi sợi

Vì vậy yêu cầu làm sao cho các tia sáng chạy trong ruột không tiếp xúc với lớp mặt phân cách vỏ - ruột Điều đó phụ thuộc vào điểm đưa tia sáng vào sợi và vào độ

mở của sợi

Góc mở lớn nhất của sợi GI khác với sợi SI và tính theo công thức sau:

2 0

Khi tham số mặt cắt g đạt giá trị tối ưu thì độ lệch thời gian lớn nhất trên một

km giảm nhỏ và đạt giá trị:

g c

n L

63ps/km tức là nhỏ hơn sợi SI khoảng 800 lần, nghĩa là sợi GI có thể cho phép tăng độ rộng băng truyền dẫn lên khoảng 800 lần so với sợi SI Tuy nhiên, trong các sợi GI thực tế, luôn có những sai số chế tạo xuất hiện, nên băng tần truyền dẫn của nó chỉ có thể tăng hơn của sợi SI độ 100 lần

Nhược điểm của sợi GI là ở chỗ góc mở  thay đổi theo vị trí đưa chùm tia vào

và kéo theo độ mở của sợi luôn thay đổi vì NA sinmax, hay nói cách khác là góc mở )

(r

 phụ thuộc vào độ chênh lệch của chiết suất nội bộ và chiết suất của vỏ

2 2 2 ) ( 1 ) (

Như vậy, dùng sợi GI có nhược điểm cần lưu ý là ánh sáng đưa vào mặt cắt của sợi trên một diện tích bức xạ nhỏ hơn, hay chùm sáng sẽ nhọn hơn

2.3.2 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode

Mô tả sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang bằng phương pháp quang hình học là hoàn toàn chưa đủ chính xác, bởi vì nó không thể hiện chính xác khái niệm mode truyền dẫn, chẳng hạn sợi đơn mode như trong hình 2.17, khi có đường kính ruột rất bé Vì vậy, để hiểu hết các đặc tính quan trọng của sợi quang thì cần vận dụng thêm những kiến thức về quang học sóng Mà vấn đề cơ bản của quang học sóng là hiện tượng giao thoa của hai sóng ánh sáng cùng lan truyền Nếu hai sóng lan truyền cùng pha thì sẽ tăng cường lẫn nhau, còn nếu chúng ngược pha nhau thì sẽ làm suy yếu lẫn nhau hoặc triệt tiêu nhau Như thế khái niệm mode sẽ được hiểu rất rộng, có thể coi là các tia sóng được phép lan truyền, hoặc là các dạng sóng được phép lan truyền, hoặc là các nghiệm của hệ phương trình truyền sóng, Vì vậy, trong sợi đơn mode không nên hiểu đơn giản rằng có một mode lan truyền nghĩa là chỉ có một tia sáng lan truyền

Theo quan điểm truyền sóng có thể xem một mode là một dạng sóng lan truyền,

có sự phân bố cường độ trường trên mặt cắt của sợi riêng và có vận tốc lan truyền riêng Bởi vậy, người ta chỉ có thể đánh giá đặc tính đa mode hay đơn mode của sợi thông qua số mode được phép lan truyền Số mode được phép lan truyền phụ thuộc vào tỉ số của đường kính sợi và bước sóng công tác dK/ và thể hiện qua tham số cấu trúc V của sợi:

Hình 2.17 Sự lan truyền của tia sáng trong sợi đơn mode

n2

n1

n2 n1 n

r

2 2 2 1

1 2 . .

.

n n d n

1 n n

NA  hoặc tăng bước sóng  thì sẽ giảm được V đi và đạt được yêu cầu là chỉ còn một mode được lan truyền Để đạt được chế độ đơn mode thì V phải nhỏ hơn giá trị giới hạn Vg, trong đó sợi có chiết suất bậc (rất thông dụng) có V V g  2 , 405, còn sợi có chiết suất giảm dần (rất đặc biệt) V V g  3 , 518

Số mode được xác định theo công thức sau:





2

2

Ví dụ 1: Cho sợi SI, có n1 = 1,5 và  = 0,003, bước sóng giới hạn g > 1 m Muốn công tác ở chế độ đơn mode thì theo (2-23) phải có dK = 7 m

Ví dụ 2: Sợi GI, giữ dK = 50 m, n1 = 1,5,  = 0,01, g = 2,  = 1 m

Theo (2-23) có V = 33, và theo (2-25) có M = 272, không thể công tác ở chế độ đơn mode được khi dK quá lớn

Vì chỉ có một mode lan truyền nên không lệch thời gian ở cuối sợi, không méo tín hiệu, do đó sợi có băng tần truyền dẫn rất lớn và cho phép truyền lượng thông tin rất lớn đi xa Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng  = 1300 nm

độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

2.4 SUY HAO TRONG SỢI QUANG

2.4.1 Tán sắc trong sợi quang

2.4.1.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng

Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng

lên nhau Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng dãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc

Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời

Tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể như sau:

- Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng các xung ánh sáng

- Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ (tới giá trị

AE trên hình 2.18.b và có hiện tượng dịch pha Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó

bị giới hạn

Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì

để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên

Độ dãn xung  theo (2-26) thể hiện mức độ tán sắc tín hiệu do sợi gây ra, và nó

có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền Bit

Các xung ánh sáng có phân bố Gauss có phân bố biên độ giảm theo quy luật là:

Hình 2.18 Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b)

S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu a) Dãn xung, b) Sụt biên độ

 2 2

max

36 , 0 /

2   

Nếu tương ứng với 1,2, có các giá trị B1, B2 thì độ rộng băng truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán sắc khác nhau là B và tính theo công thức:

1 1 1

2 2 2 1

2   

B B

S

2 26 , 2 1





Như vậy độ giãn xung , độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan

hệ ảnh hưởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết theo (2-32) cần có độ rộng bằng khoảng 1Hz nhưng trên thực tế cần 1,6Hz cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn Từ đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng, cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất để có độ dãn xung bé nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi