Các phương thức truyền dẫn, các cơ cấu bến đổi điện quang và cơ cấu biến đổi quang điện trong hệ thống thông tin cáp sơi quang

Mở đầu Hệ thống thông tin quang sợi ngày càng có vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn thông tin ngày nay. Có thể nói, sự ra đời và phát triển của sợi quang và công nghệ truyền dẫn thông tin quang đã làm thay đổi hoàn toàn chất lợng, giá thành và khả năng truyền tải tin. Chẳng hạn thực hiện truyền dẫn bằng sợi quang đồng trục, cùng một lúc có thể truyền đợc hàng triệu cuộc điện thoại và hằng trăm kênh truyền hình mà vẫn đảm bảo chất lợng truyền dẫn. Ngời ta đã tính đợc rằng, nếu thay thế cáp điện bằng cáp sợi quang có thể tiết kiệm đợc lợng kinh phí rất lớn. Trong các hệ thống truyền tin bằng cáp quang, các thiết bị biến đổi điện quang (E/O) và các thiết bị biến đổi quang - điện (O/E) đóng vai trò quan trọng. Thông qua bộ biến đổi điện quang, các tín hiệu điện đợc gửi vào các sóng mang đi vào sợi quang. Tín hiệu trớc khi đi vào máy thu đợc biến đổi ngợc lại thành tín hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang - điện. Việc tìm hiểu các phơng thức truyền dẫn cũng nh cơ cấu các bộ biến đổi đã đợc đề cập đến trong chơng trình học chuyên ngành. Tuy nhiên do giới hạn về thời gian vấn đề này cha đợc nghiên cứu một cách kỹ lỡng và chi tiết. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: Các phơng thức truyền dẫn, các cơ cấu biến đổi điện quang và cơ cấu biến đổi quang - điện trong hệ thống thông tin cáp sợi quang. Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm ba chơng: Chơng I Tổng quan về thông tin quang. Trong chơng này chúng tôi trình bày một cách tổng quan về cấu tạo cùng nh cách phân loại và tính chất của sợi quang. Cũng trong chơng này, chúng tôi trình bày về các điều kiện để đảm bảo tối u quá trình truyền dẫn trong sợi quang. 1 Chơng II Cơ sở lý thuyết về truyền sóng trong cáp quang Trong chơng này, chúng tôi đa ra các cách khảo sát quá trình truyền sóng trong sợi quang. Về phơng diện quang hình học, sóng lan truyền trong sợi quang sau khi liên tiếp phản xạ trên các mặt biên theo các định luật quang hình học. Chúng ta cũng có thể khảo sát quá trình lan truyền sóng trong sợi quang bằng thuyết sóng điện từ của Maxwell, các kết quả của hai cách khảo sát này là nh nhau. Chơng III Cơ sở nguyên lý các bộ biến đổi điện quang và các bộ biến đổi quang điện. Các bộ biến đổi điện quang (E/O) và các bộ biến đổi quang - điện (O/E) đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị hệ thống thông tin quang. Trong chơng này, sau khi giới thiệu các phơng pháp điều biến, chúng tôi đa giới thiệu các bộ biến đổi E/O và O/E về nguyên tác cấu tạo cũng nh nguyên lý hoạt động. Do sự hạn chế về thời gian và trình độ, bản luận văn này không tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo, các anh, chị và các bạn sinh viên để luận văn đợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng tôi xin đ- ợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Văn Phú, thầy đã đặt bài toán, cung cấp tài liệu và tận tình hớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm việc. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong chuyên ngành Quang học Quang phổ, trong Khoa Vật lý đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thành bản luận văn này. Vinh, tháng 5 năm 2004. Sinh viên thực hiện Lê Thị Anh 2 chơng I - Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang I. Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trên hình 1.b. Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộ nhờ so sánh với một hệ thông truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển nh trên hình 1.a. Trong đó các phần tử của hai hệ thống là tơng đồng nhau. Hình 1-a: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện Hình 1-b. Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang. Nguồn tín hiệu thông tin là nh nhau, đều là các dạng thông tin thờng hiện nay nh 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 điện đa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A). 3 Bộ biến đổi điện quang (E/O) để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào c- ờng độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng nh bộ điều biến trên hình 1.a. Cũng nh thông tin điện, với nhiều phơng thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu điện vào bức xạ quang. Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, còn các hệ thống coherence trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý 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 điểm C trên hình 1.a là các tín hiệu cao tần đợc điều biến về biên độ hoặc pha hoặc tần số. Sợi quang SQ để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến, có vai trò nh kênh truyền dẫn trên hình 1.a. Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu phát đi. Nó có vai trò nh bộ giải điều trên hình 1.a. Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang), nhng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đa vào phần tử điện tử, tách ra tín hiệu thu giống nh tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu. Tải tin: Trong hệ thống điện, tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thống quang, ánh sáng là sóng điện từ có tần số rất cao (cỡ 10 14 -10 15 ) Hz do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rộng. Về vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Cũng nh ở hệ thống điện, tín hiệu truyền đa trên đờng 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 (Digital). Hiện nay cha thực hiện đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạm khuếch đại trung gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện ba bớc sau: - Chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện - Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh dới dạng điện. 4 - Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang để tiếp tục phát đi. Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của hệ thống đợc đánh giá qua hai đại lợng: + Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đợc. + Cự li trạm lắp, hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp. II. Cấu tạo và phân loại sợi quang 1. Cấu tạo sợi quang Hình 1.2. Cấu tạo sợi quang Sợi quang thờng có tiết diện tròn, đờng kính từ (100-400)m gồm hai phần: Phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n 1 , bán kính là a và đờng kính d k và phần vỏ có chiết suất n 2 (n 2 <n 1 ) bao xung quanh lõi và có đờng kính là d m . Các tham số n 1 , n 2 , a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Ngời ta gọi đó là các tham số cấu trúc. Ta có độ lệch chiết suất n = n 1 - n 2 Và độ lệch chiết suất tơng đối 2 2 1 2 2 1 1 2 1 2 2. n n n n n n n n n = = = (1.1) Hai tham số này cũng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. 5 Căn cứ vào sự phân bố chiết suất của lớp lõi, ngời ta chia sợi quang thành hai dạng: Dạng sợi quang mà lõi có chiết suất không đổi gọi là sợi quang giật cấp và dạng có phần lõi có chiết suất phân bố giảm dần từ trong ra ngoài gọi là sợi quang liên tục. 2. Phân loại sợi quang: Dựa vào các đặc điểm cấu tạo của sợi quang nh chiết suất, loại vật liệu và mode truyền dẫn ngời ta có ba cách phân loại sợi quang nh sau: 2.1. Phân loại theo vật liệu: Ta có ba loại sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu,sợi quang thạch anh và sợi quang bằng nhựa. Các sợi quang thạch anh không chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO 2 ) mà còn có các tạp chất thêm vào nh Ge, B và F để làm thay đổi chiết suất khúc xạ. Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là Sodalime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh Bo-silicat và các kim loại kiềm làm chất phụ gia nh Na, Ca, . Đối với các sợi quang bằng nhựa thì các nguyên liệu chủ yếu là silicon resin và acrelie resin. Trong thực tế sử dụng thì sợi thuỷ tinh thạch anh đợc sử dụng nhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và có tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. 2.2. Phân loại theo mode lan truyền: Theo mode lan truyền ngời ta phân sợi quang thành hai loại. Một là sợi quang đơn mode loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền. Loại sợi thứ 2 là loại đa mode cho phép nhiều mode lan truyền . 2.3. Phân loại theo chiết suất: Trong phân loại này sợi quang cũng đợc chia làm hai loại. Một là sợi quang chiết suất phân bậc (viết tắt là sợi SI), loại sợi này chiết suất thay đổi theo bậc giửa lõi và vỏ,nó đợc dùng ở chế độ đơn mode và đa mode. Loại thứ 6 hai gọi là sợi quang có chiết suất biến đổi (sợi quang GI) loại sợi này có chiết suất thay đổi liên tục từ lõi đến vỏ. a, Sợi quang loại SI (đa mode) b, Sợi quang loại GI c, Sợi quang loại SM (đơn mode) Hình 1.3. Sự lan truyền của ánh sáng trong các loại sợi khác nhau III. Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong các sợi quang giật cấp Để một mode dẫn truyền đợc trong một sợi quang giật cấp cần thoả mãn những điều kiện sau đây: 1. Điều kiện phản xạ toàn phần: 7 Để đợc dẫn truyền trong sợi quang tia sáng phải có góc tới thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần sin 2 1 n n hay m =arcsin( 2 1 n n ) (1.2) 2. Điều kiện giao thoa: Xét quá trình lan truyền của sóng ở trong sợi quang đợc mô tả ở hình 1.3. Sóng lan truyền trong sợi quang sau khi phản xạ liên tiếp tại các thành biên của sợi. Hình 1.3. Sơ đồ giải thích các mode đợc phép dẫn truyền trong sợi quang Nh vậy trong sợi quang có sự lan truyền của sóng tới và sóng phản xạ, chúng gặp nhau và có thể giao thoa với nhau. Để tránh sự triệt tiêu năng lợng do sự giao thoa của các sóng tới và sóng phản xạ không cùng pha thì độ lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B nằm trên trục lõi phải thoã mãn điều kiện: 1 2. . . 2. 2. cos m k n d m = với m=1, 2, 3 , .(1.3) Trong đó d là đờng kính của lõi ; 2 k = là số sóng. Suy ra 1 2. . . 2. 2. cos m k n d m = + Từ đó ta nhận đợc: 8 1 1 2. . . 2. ( / ) cos ( . ) ( / ) m n d n d m m = = + + (1.4) Vì rất nhỏ so với nên ta có thể bỏ qua / Khi đó ta có thể viết gần đúng 1 2. ( / ) cos m n d m = (1.5) 3. Điều kiện biên: Để ánh sáng lan truyền liên tiếp phản xạ toàn phần tại mặt biên của lõi và vỏ thì cần thiết phải có điện trờng giới hạn trong lõi sợi do vậy tại mặt biên thì cờng độ điện trờng 0 = E do sự giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ. Từ điều kiện cho cực tiểu giao thoa, chúng ta nhận đợc biểu thức để cờng độ điện trờng 0 = E là : .sin .cos (2. 1). / 2 m m d d m = = + (1.6) với m = 0, 1, 2, 3, ., N-1 trong đó m là số thứ tự mode và N là số mode có thể. Nh vậy trong sợi quang có nhiều mode, mỗi mode lan truyền theo một hớng khác nhau và dẫn đến sự tán sắc giữa các mode. IV. Sự hạn chế độ rộng dải thông do tán sắc giữa các mode trong sợi quang giật cấp đa mode Giả sử một xung sáng đợc chiếu vào đầu vào của sợi quang, năng lợng tổng cộng của xung sẽ là kết hợp của nhiều mode đợc dẫn truyền trong sợi quang, trong đó mỗi mode có một hớng lan truyền khác nhau với m khác nhau. Vì m khác nhau nên quang lộ mà mỗi mode đi qua sẽ khác nhau, trong khi đó vận tốc lan truyền theo các quang lộ zig-zag đó của các mode lại giống nhau. Từ đó ta thấy vận tốc lan truyền của các mode theo chiều song song với trục sợi quang sẽ khác nhau dẫn tới khoảng thời gian cần thiết để các mode đi qua một chiều dài sợi quang nh nhau sẽ khác nhau. 9 Xét hai mode: Mode trục lan truyền theo trục sợi quang, mode tới hạn lan truyền với góc m bằng góc tới hạn phản xạ toàn phần. Ta xét thời gian hai mode đó lan truyền từ tiết diện A đến tiết diện B của sợi quang nh hình 1.5. c Hình 1.5. Sơ đồ giải thích sự giãn xung sáng Khoảng thời gian sẽ cực tiểu với mode trục và cực đại với mode tới hạn t min = AB/v=AB.n 1 /c (1.7) t max = AB/(v.sin c )= 1 . .sin C n AB c (1.8) với góc tới hạn sin m =n 2 /n 1 ta có thể gọi t=(t max - t min ) là độ giãn xung sáng. Từ (1.7) và (1.8) ta nhận đợc: 1 min 1 2 . 1 ( 1) ( / 1) sin C AB n t t n n c = = (1.9) nh vậy do thời gian mà các mode đi qua cùng một chiều dài sợi quang là khác nhau, nên xung sáng bị giãn ra, hiện tợng đó đợc gọi là hiện tợng tán sắc giữa các mode. Sự giãn các xung sáng dẫn tới sự giới hạn độ rộng giải thông của sợi quang . 10 . hai cách khảo sát này là nh nhau. Chơng III Cơ sở nguyên lý các bộ biến đổi điện quang và các bộ biến đổi quang điện. Các bộ biến đổi điện quang (E/O) và. lỡng và chi tiết. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: Các phơng thức truyền dẫn, các cơ cấu biến đổi điện quang và cơ cấu biến