Thiết kế tuyến truyền dẫn quang

Cáp sợi quang

Sợi dẫn quang

1.1.1 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang

Trong sợi dẫn quang, ánh sáng được truyền theo các định luật phản xạ và khúc xạ Để dễ dàng quan sát quá trình này, ta xem xét ánh sáng lan truyền trong sợi dẫn quang đa mode với chỉ số chiết suất phân bậc Hai loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là tia kinh tuyến và tia nghiêng.

Tia kinh tuyến là các tia xác định mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi, trong khi tia nguyên truyền theo đoạn xoắn ốc dọc sợi, dẫn đến đường đi dài hơn và thường bị suy hao nhiều hơn Chỉ có tia kinh tuyến mới phản ánh rõ bản chất của sự lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang.

Các tia kinh tuyến trong sợi chỉ số chiết suất phân bậc, như thể hiện trong hình 1.1, là những tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trường có chiết suất n và tạo với trục sợi một góc θ0 Khi các tia này đập vào ranh giới lõi và vỏ lõi dưới một góc Φ, nếu góc Φ lớn hơn góc giới hạn cho phép, tia sẽ bị phản xạ toàn phần Kết quả là, tia kinh tuyến sẽ di chuyển theo đường zích zắc dọc theo lõi sợi và tiếp tục qua trục sợi sau mỗi lần phản xạ.

Hình 1.1: Tia kinh tuyến biểu hiện quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất phân bậc

Ta thấy tia tới sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận lớn nhất θ 0max theo phương trình nsinθ 0max = n 1 sin θ c = n 12 n 22 (1.1) Ở đây θ c là góc tới hạn

1.1.2 Cấu trúc sợi dẫn quang

Sợi quang là ống dẫn sóng điện môi cho các tần số ánh sáng, thường có hình dạng trụ Chúng hạn chế năng lượng điện từ tại bề mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ, giúp dẫn ánh sáng theo hướng song song với trục của sợi.

Sợi quang là một cấu trúc gồm lõi dẫn quang hình trụ với chiết suất n1, được bao bọc bởi lớp vỏ làm từ vật liệu dẫn quang có chiết suất n2 thấp hơn n1, với sự chênh lệch chiết suất khoảng 10⁻³.

Đường kính lõi sợi quang, n1, n2 và bán kính lõi là những tham số cấu trúc quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

Về cơ bản lớp vỏ không cần thiết đối với việc truyền ánh sáng trong lõi nhưng nó có nhiều tác dụng như:

- Làm giảm sự mất mát tại bề mặt lõi

- Tăng độ bền cơ học cho sợi quang

- Chống hơi nước cho lõi

Từ n 1 và n 2 người ta định nghĩa Độ lệch chiết suất tương đối Δn= n1- n 2 Δ n 1

Sợi quang được bảo vệ bởi lớp phủ dẻo, giúp chống chầy xước, tăng cường độ bền cơ học và ngăn ngừa hơi nước xâm nhập.

Các sợi quang có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau:

- Phân loại theo các đặc tính truyền dẫn: phân chia ra sợi đa mode và sợi đơn mode

Hình 1.2 minh họa cấu tạo của sợi quang đa mode và đơn mode Sợi đa mode cho phép nhiều tia ánh sáng truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, trong khi sợi đơn mode chỉ có một tia chạy song song với trục của sợi.

Sợi quang được phân loại thành hai loại dựa trên sự biến thiên của chiết suất bên trong ruột sợi: sợi có chiết suất phân bậc (Step index - SI) và sợi có chiết suất biến thiên đều (Graded index - GI) Trong sợi SI, chiết suất của ruột (n1) không thay đổi, trong khi ở sợi GI, chiết suất n1 đạt giá trị cao nhất tại tâm ruột và giảm dần ra ngoài Sự giảm chiết suất trong sợi GI có thể được mô tả bằng công thức: n(r) = chor q q n r g.

Với g là hằng số và thường chọn 1≤g≤s Như vậy tạm chia các sợi quang thành 3 loại:

+Sợi đa mode chiết suất phân bậc SI-MM (Step Index- Multi Mode)

+ Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI-MM (Graded Index-Multi Mode)

+ Sợi đơn mode: SI-SM (Single Mode)

Phân loại theo kích thước sợi và vật liệu chế tạo sợi: Theo cách này có thể phân chia các loại sợi quang sau:

+ Phân chia theo kích thước lõi vỏ

+ Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi: Sợi quang chế tạo bằng thuỷ tinh thạch anh, chất dẻo, thuỷ tinh Flo …

+ Phân loại theo sự biến thiên của chiết suất lõi vỏ: Sợi có chiết suất nhảy bậc, sợi có chiết suất biến đổi

Hình 1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang.

suy hao tín hiệu trong sợi quang

Suy hao trên sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống thông tin quang Các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang, sợi quang và đầu thu quang là những yếu tố ngoài bản chất của sợi quang Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, sợi quang cũng có suy hao, dẫn đến việc tín hiệu yếu đi khi truyền qua một khoảng cách nhất định.

Cơ chế suy hao trong sợi dẫn quang bao gồm 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 quang, bao gồm hấp thụ từ tạp chất, vật liệu và các nguyên tử cấu thành Suy hao do tán xạ liên quan đến chất liệu sợi và cấu trúc không hoàn hảo, trong khi suy hao do bức xạ xảy ra do sự xáo trộn hình học của sợi.

Suy hao sợi quang được xác định qua tỷ số giữa công suất quang đầu ra (Pout) và công suất đầu vào (Pin) của sợi dẫn quang có chiều dài L Tỷ số này phụ thuộc vào bước sóng và được biểu thị qua các hệ số khúc xạ n1, n2, với điều kiện n2 > n1.

Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc

Sự truyền ánh sáng trong sợi GI n 1 n2 n

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

 10 (1.4) Đơn vị của α được tính theo dB/km

1.2.1 Suy hao do hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang

Hấp thụ do tạp chất

Hình 1.3: Đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang đối với các quy chế suy hao

Trong vật liệu thuỷ tinh, các tạp chất như các lon sắt, Grôm, Coban, Đồng và

Sự xuất hiện của OH trong sợi quang sau quá trình nấu chảy trực tiếp đã làm gia tăng đáng kể các đặc tính suy hao Nồng độ tạp chất kim loại có ảnh hưởng lớn đến mức suy hao của sợi quang.

Các sợi quang trước đây có tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (pph) dẫn đến suy hao từ 1 đến 10 dB/km Sự xuất hiện của các Ion OH trong quá trình chế tạo sợi quang chủ yếu đến từ ngọn lửa Oxi-Hydro, với liên kết OH hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7μm Tác động của cộng hưởng Silic tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400nm, 950nm và 750nm, gần với các bước sóng canh tác của sợi quang Tuy nhiên, công nghệ tiên tiến hiện nay đã loại bỏ hầu hết các Ion OH, giúp suy hao sợi giảm xuống dưới 0,2 dB/km tại bước sóng 1550nm.

Sợi quang hoạt động hiệu quả hơn ở các bước sóng dài, giúp giảm thiểu suy hao Tuy nhiên, các liên kết phân tử trong vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng này, hiện tượng này được gọi là hấp thụ vật liệu.

Liên kết hấp thụ nằm ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn ảnh hưởng đến hiệu suất, kéo dài đến vùng bước sóng 1550nm Điều này dẫn đến việc không giảm suy hao một cách đáng kể trong vùng bước sóng này.

Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ khi các photon kích thích điện tử trong nguyên tử lên trạng thái cao hơn, thể hiện sự tương tác trong phạm vi nguyên tử Các dải hấp thụ điện tử liên quan đến dải cấm của vật liệu, và sự hấp thụ điện tử là một tham số vật lý quan trọng quyết định cửa sổ truyền dẫn của dải dao động nguyên tử trong vùng ngoại tần.

1.2.2 Suy hao do tán xạ

Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang chủ yếu do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi, gây ra bởi những thay đổi nhỏ trong vật liệu, cấu trúc không đồng nhất hoặc khiếm khuyết trong quá trình chế tạo Cấu trúc lõi sợi có sự biến đổi về mật độ phân tử, với một số khu vực có mật độ cao hơn và một số khu vực có mật độ thấp hơn so với mức trung bình Hơn nữa, do thủy tinh được tạo thành từ các loại ôxít như SiO2, GeO2 và P2O5, sự thay đổi thành phần có thể xảy ra, dẫn đến sự biến đổi trong chỉ số khúc xạ Hai yếu tố này kết hợp lại làm gia tăng tán xạ ánh sáng, được gọi là tán xạ Rayleigh.

Suy hao do tán xạ Rayleigh ảnh hưởng đến công suất bước sóng, với hệ số suy hao phụ thuộc vào bước sóng λ Khi λ lớn, đặc tính suy hao của sợi quang giảm đáng kể do sự phụ thuộc λ -4 Đối với các bước sóng nhỏ hơn 1μm, suy hao do tán xạ Rayleigh là yếu tố quyết định đặc tính phổ của sợi quang, trong khi với λ lớn hơn 1μm, ảnh hưởng của suy hao này không còn nổi bật.

1.2.3 Suy hao do uốn cong sợi Đây là suy hao không cố hữu của sợi, nó xảy ra mỗi khi sợi quang chịu một đoạn cong nào đó làm cho các tia sáng truyền từ lõi tới mặt phân cách lõi vỏ với góc nhỏ hơn góc tới hạn làm cho nó đi ra ngoài vỏ và như vậy ánh sáng đã bị suy hao

Có hai loại suy hao do uốn cong

Suy hao do uốn cong vĩ mô xảy ra khi bán kính cong của sợi tương đương hoặc lớn hơn đường kính lõi sợi, thường gặp trong lắp đặt cáp quang Khi bán kính cong lớn, suy hao là không đáng kể, nhưng khi bán kính giảm, suy hao tăng theo hàm mũ Nếu bán kính cong nhỏ hơn bán kính tới hạn, suy hao sẽ rất lớn Để tránh suy hao lớn, các nhà chế tạo khuyến nghị bán kính uốn cong tối thiểu từ 20mm đến 40mm.

Suy hao do vi uốn cong là hiện tượng cong ngẫu nhiên của sợi, thường xảy ra trong quá trình chế tạo, biểu hiện qua sự dao động lặp đi lặp lại trong phạm vi nhỏ của trục sợi Hiện tượng này xuất hiện cả trong trường hợp không đồng dạng khi chế tạo sợi cáp và khi cáp chịu áp lực không đồng nhất trong quá trình bện.

Để giảm thiểu suy hao do vi uốn cong, cần bọc ngoài sợi quang một lớp vật liệu chịu nén Lớp bọc này sẽ bị biến dạng khi có lực tác động từ bên ngoài, nhưng sợi quang bên trong vẫn giữ được định hướng tương đối thẳng.

Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang

Sự méo tín hiệu trong truyền dẫn quang chủ yếu xảy ra do hiện tượng tán sắc trong sợi quang Tán sắc làm giãn rộng xung khi truyền tín hiệu số và gây suy giảm biên độ cũng như độ pha khi truyền tín hiệu tương tự Hậu quả của hiện tượng này là các xung bị chồng lấp lên nhau, dẫn đến lỗi trong quá trình thu tín hiệu.

Cá tán sắc là do sự phân tán trong sóng điện từ bên trong sợi quang dẫn và tác động qua lại của hiện tường trễ sóng điện từ

Xét tín hiệu điều chế của nguồn quang, giả thiết rằng tín hiệu quang được điều chế kích thích tất cả các mode ngang nhau tại đầu vào của sợi quang Mỗi mode này đều bao gồm tất cả các thành phần phổ trong giải bước sóng của nguồn quang phát ra.

Khi tín hiệu quang di chuyển qua sợi quang, mỗi thành phần phổ được coi là truyền độc lập và chịu ảnh hưởng của một sự trễ thời gian, được gọi là trễ nhóm, trên mỗi đơn vị chiều dài theo hướng truyền.

Trong đó: Vg: Tốc độ nhóm

L: Quảng đường đi của xung β: Hằng số truyền lan của sợi

Do sự trễ của nhóm phụ thuộc vào bước sóng, mỗi thành phần mode của một mode riêng biệt sẽ tạo ra một khoảng thời gian nhất định để truyền tải một khoảng cách cụ thể.

Nếu độ rồng phổ của nguồn quang là δλ không lớn lắm sự lệch trễ trên một đơn vị bước sóng dọc theo phần lan truyền sẽ xấp xỉ bằng

Tổng khác nhau của trễ trên một khoảng độ dài là L được xác định :

 2 là hệ số phân tán xung xác định sự giãn xung theo một hàm của bước sóng và có thứ nguyên [Ps/Km.nm]

Tán sắc vật liệu xảy ra do sự thay đổi chỉ số chiết suất của vật liệu lõi Vận tốc nhóm Vg của các mode phụ thuộc vào chiết suất, dẫn đến các thành phần phổ khác nhau của mode truyền đi với tốc độ khác nhau và phụ thuộc vào bước sóng Để tính toán tán sắc, ta khảo sát một sóng thẳng lan truyền trong môi trường trong suốt vô tận, với chỉ số chiết suất n(λ) bằng chỉ số chiết suất của lõi sợi Trong trường hợp này, hằng số truyền lan β được xác định.

Hình 1.4 Chỉ số chiết suất thay đổi theo bước sóng

Thay thế phương trình này vào phương trình (1.8) với

K ta xác định được trễ nhóm cho tán sắc vật liệu:

Như vậy ta xác định được tán sắc vật liệu:

Từ phương trình (1.9 , ta thấy rằng để tán sắc vật liệu nhỏ phải chọn nguồn quang có độ rộng phổ hẹp hoặc hoạt động ở bước sóng dài hơn

Khi ánh sáng được bơm vào sợi quang, các mode sẽ được phân bố, và sự phân bố này phụ thuộc vào tỷ số giữa bán kính sợi và bước sóng Nếu bán kính sợi không thay đổi, các mode sẽ dẫn đến đầu cuối của sợi tại các thời điểm khác nhau, chịu ảnh hưởng của trễ nhóm, dẫn đến hiện tượng giãn xung Tính toán cho thấy sợi đa mode có tán sắc lớn hơn do đường kính nhỏ, vì vậy một số loại sợi đơn mode được thiết kế để tán sắc bù trừ với bước sóng công tác, nhằm giảm thiểu tán sắc tổng cộng.

Hình 1.5 Tán sắc vật liệu là hàm số của bước sóng quang so với sợi quang

Tán sắc mode là hiện tượng xảy ra do sự khác biệt về trễ nhóm giữa các mode tại mỗi tần số, ảnh hưởng mạnh mẽ đến sợi đa mode nhưng không có tác động đối với sợi đơn mode Để tính toán tán sắc mode, cần sử dụng các phương pháp toán học phức tạp, nhưng có thể đơn giản hóa bằng phương pháp quang hình, trong đó mỗi mode được mô tả bằng các sóng phẳng Trong sợi SI, tán sắc xung xuất hiện do độ lệch thời gian giữa mode bậc cao nhất và mode cơ bản Trong khi đó, ở sợi GI, sự biến đổi của chiết suất theo bán kính sợi dẫn đến tốc độ lan truyền khác nhau giữa các mode, với các mode bậc cao truyền nhanh hơn và có quãng đường đi dài hơn Khi tham số mặt cắt bằng 2, tán sắc mode của sợi GI được biểu diễn bằng δmode c.

Tán sắc mode có sự nhạy cảm cao với biến đổi của chiết suất, với giá trị tán sắc đạt đỉnh cực tiểu rất hẹp tại g = g opt = 2 - Δ.

Nếu xét tới ảnh hưởng của tham số tán sắc mặt cắt p thì: g pot =   

Tán xạ mode trên 1Km là: c n e 0.5 8

Trong trường hợp g→∞ thì sợi GI trở thành sợi SI và:

Khi nghiên cứu sợi quang, chiết suất của lõi và vỏ phụ thuộc vào bước sóng, dẫn đến sự thay đổi của độ lệch chuẩn chiết suất tương đối theo α Sự khác biệt này gây ra hiện tượng tán sắc, được gọi là tán sắc mặt cắt chiết suất, và được đặc trưng bởi tham số tán sắc mặt cắt.

Trong đó n o là chiết suất tâm lõi, n g là chiết suất nhóm:

Tán sắc ảnh hưởng đến tán sắc mode, với mỗi sợi quang có độ rộng băng tần lớn nhất chỉ cho phép một tần số nhất định Mỗi vùng truyền dẫn có giá trị g opt khác nhau, dẫn đến chiết suất tối ưu khác nhau Do đó, mỗi sợi quang đa mode được chế tạo để tối ưu cho từng vùng bước sóng canh tác, không có sợi nào có khả năng đạt được độ rộng băng tần lớn nhất ở tất cả các vùng bước sóng.

vật liệu chế tạo sợi quang

Việc lựa chọn vật liệu chế tạo sợi quang phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau:

+ Phải có khả năng kéo dài, mảnh, dễ uốn, mềm dẻo

+ Vật liệu phải trong suốt đối với các bước sóng riêng biệt nhằm có khả năng lực truyền dẫn ánh sáng

+ Tính chất vật lý của vật liệu có chiết suất hơi khác nhau đối với lõi và vỏ là thích hợp

Các vật liệu đáp ứng yêu cầu cho sợi quang bao gồm thủy tinh và nhựa tổng hợp Thủy tinh, chủ yếu là hợp chất silic hoặc silicat, được sử dụng để chế tạo sợi quang Các sợi quang từ thủy tinh có nhiều kích thước khác nhau, từ sợi lớn với suy hao cao cho truyền dẫn khoảng cách ngắn đến sợi nhỏ trong suốt với suy hao thấp, phù hợp cho truyền dẫn đường dài với dung lượng cao.

Chất dẻo dùng để chế tạo sợi quang chưa được phổ biến do suy hao cao hơn so với sợi thủy tinh Tuy nhiên, sợi quang plastic thường được sử dụng trong các ứng dụng cự ly ngắn và môi trường có chấn động, nơi mà sức bền cơ học của sợi quang plastic vượt trội hơn so với sợi quang thủy tinh.

1.4.1 Các sợi quang thuỷ tinh

Thủy tinh là vật liệu được tạo ra từ quá trình nấu chảy hỗn hợp oxit kim loại và sulfide, hình thành một mạng tinh thể với cấu trúc liên kết ngẫu nhiên Sự sắp xếp này khiến thủy tinh không có điểm nóng chảy xác định, duy trì trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng cho đến khi đạt vài trăm độ C Khi nhiệt độ tăng, thủy tinh chuyển sang trạng thái lỏng, cho phép kéo dài thành sợi Thủy tinh thạch anh (SiO2) có chiết suất n=1,458 tại bước sóng 820nm Để sản xuất sợi quang với chiết suất lõi và vỏ khác nhau, người ta thêm các chất phụ như Flo (F) để giảm chiết suất hoặc các oxit như FeO2 và P2O5 để tăng chiết suất của silic, từ đó tạo ra chiết suất vỏ sợi lớn hơn lõi sợi.

Nguyên liệu chính để sản xuất Silic là cát, từ đó tạo ra thuỷ tinh thạch anh hay thuỷ tinh pha lê khi sử dụng Silica sạch Những đặc tính mong muốn của loại thuỷ tinh này bao gồm độ trong suốt, độ bền cao và khả năng chống lại nhiệt độ.

-Chống lại sự làm méo nhiệt độ cỡ trăm độ C và sự làm vỡ do sự thay đổi nóng lạnh đột ngột

-Hợp chất bền, độ trong suốt cao cả ở vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại là hai vùng mà các hệ thống quang quan tâm

Nguyên liệu này có nhiệt độ nóng chảy cao, gây khó khăn cho quá trình chế tạo sợi Tuy nhiên, công nghệ chế tạo sợi tân tiến đã khắc phục vấn đề này một cách hiệu quả.

Vật liệu được sử dụng bao gồm flo-kim loại nặng và tinh thể thuỷ tinh, với halide có suy hao cực thấp trong khoảng bước sóng hồng ngoại từ 200 đến 800nm Mặc dù thuỷ tinh halide có khả năng suy hao rất thấp, chỉ khoảng 0,01 đến 0,001 dB/Km, nhưng việc kéo dài sợi lại gặp nhiều khó khăn.

1.4.2 Các sợi quang thuỷ tinh có vỏ là chất dẻo

Các sợi quang được chế tạo với lõi và vỏ bằng thủy tinh là rất quan trọng cho các tuyến truyền dẫn dài yêu cầu suy hao thấp Đối với các tuyến truyền dẫn ngắn chỉ vài trăm mét, nơi có thể chấp nhận suy hao lớn, sợi quang thủy tinh (Silica) với vỏ bằng nhựa tổng hợp (Plastic) thường được sử dụng, được gọi là sợi PSC (Plastic Clad Silica) Vật liệu cho lõi Silica thường là thạch anh tự nhiên có độ sạch cao, trong khi vỏ được làm từ nhựa silicon có chiết suất n = 1,045 và bước sóng 850nm.

Sợi quang đa mode SI loại plastic là lựa chọn tốt cho các khoảng cách ngắn và các đường trung kế giá rẻ, mặc dù chúng có sự suy hao lớn hơn so với sợi thuỷ tinh Độ bền và tuổi thọ của sợi quang plastic cho phép sử dụng trong môi trường đặc biệt Sự khác biệt về chiết suất giữa lõi và vỏ tạo ra khẩu độ số NA lớn khoảng 0,6 và góc đón ánh sáng trên 70 độ Hơn nữa, tính mềm dẻo của plastic cho phép sản xuất sợi quang với đường kính từ 110μm đến 1400μm, giúp các hệ thống sử dụng sợi quang plastic kết hợp với diode phát quang giá rẻ và kích thước lớn, tạo nên giải pháp kinh tế hấp dẫn.

Cáp quang

1.5.1 Đặc điểm và yêu cầu của cáp quang

Cáp quang, giống như cáp kim loại, cũng cần đáp ứng các yêu cầu đặc biệt Đầu tiên, lớp vỏ bên ngoài phải bảo vệ sợi quang khỏi tác động của môi trường như côn trùng và các lực cơ học.

Cáp cần phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ

- Không thấp nước, lọt nước

- Chống được các ảnh hưởng của tác động cơ học như va chạm lực kéo, lực nén, lực uốn cong …

- Ổn định khi nhiệt độ thay đổi nhất là khi nhiệt độ rất thấp, cơ tác động co ngót sợi

- Ít bị lão hoá có thời gian làm việc lâu

- Trọng lượng nhỏ, kích thước bé

Cáp quang hiện nay chủ yếu được chia thành hai loại: cáp có cấu trúc cổ và cáp lõi trụ có rãnh Bài viết này sẽ tập trung vào việc phân tích cấu tạo cơ bản của một sợi cáp quang.

Hình 1.6 Cấu trúc tổng thể của sợi

Bảo vệ sợi trước khi bện cáp

Sợi quang được bảo vệ bởi lớp nhựa cứng có đường kính lên tới 4,5mm, với hai loại ống bao gồm ống chặt và ống lỏng Ống chặt được phun nhựa trực tiếp quanh sợi, trong khi ống lỏng chứa sợi trong một ống rỗng có chất độn mềm giống mỡ Đối với ống chứa một sợi, đường kính ống là 0,9mm và 1,4mm bên ngoài; nếu chứa 4 sợi, đường kính ống sẽ là 1,7/2,8mm Lớp nhựa bọc giúp tăng cường sức bền cơ học cho sợi quang, trong đó ống chặt cung cấp khả năng chống nước lâu dài và kích thước cáp nhỏ, còn ống lỏng cho phép sợi tự do uốn cong với bán kính lớn, giảm thiểu tổn thất.

Các sợi quang được bện quanh phần tử gia cường bằng thép hoặc nhựa tổng hợp, kết hợp với sợi thuỷ tinh hoặc sợi Kelar Nếu cáp có dây đồng, chúng cũng được bện cùng với sợi quang Các sợi quang có thể được bện theo lớp hoặc từng đơn vị Quan trọng là chọn tham số xoắn sao cho bán kính uốn cong của đường xoắn ốc lớn hơn 60mm, nhằm tránh phát sinh tiêu hao phụ cho cáp.

Phần tử gia cường ở tâm ruột cáp giúp tăng cường khả năng chịu lực cho cáp Sau khi bện, lõi cáp được uốn chặt bằng sợi thủy tinh và sợi tơ Aramit kết hợp với hồ dính, nhằm nâng cao khả năng chịu lực tác động ngang Lớp bao này bám chặt vào ruột cáp, đảm bảo khi kéo cáp, ruột cáp không bị dồn Bên ngoài lớp này còn có lớp vỏ chống ẩm, hoặc có thể thay thế bằng lớp tơ chịu lực để bảo vệ cáp tốt hơn.

Vỏ cáp đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ ruột cáp khỏi tác động của môi trường như lực cơ học, hóa chất, độ ẩm và nhiệt độ Hiện nay, vỏ nhựa polyetylen (PE) là lựa chọn phổ biến, trong khi cáp sử dụng trong nhà thường có vỏ PVC mềm Đối với những trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng các loại nhựa cứng như FEP, PFA, EVA Để bảo vệ cáp khỏi côn trùng và gặm nhấm, việc thêm lớp vỏ nhựa cứng là một giải pháp hiệu quả.

Chất làm đầy được sử dụng để ngăn nước vào ruột cáp bằng cách đùn chất nhờn vào tất cả các khe hở dưới áp suất lớn Chất này cần phải không gây tác dụng hóa học lên các thành phần khác, có hệ số nở nhiệt thấp và không gây đông cứng, nhằm tránh làm cáp bị giãn nở quá mức và trở nên cứng.

Các lớp gia cường đặc biệt

Trong những trường hợp sử dụng đặc biệt, cáp cần được chế tạo với các lớp gia cường để tăng khả năng chịu lực cho các phần tử bên trong Vật liệu gia cường thường sử dụng là sợi tơ aramit, thép hoặc thanh thép tròn Để đảm bảo cáp không bị đứt khi thả dưới nước do ảnh hưởng của dòng chảy và xoáy nước, cần bổ sung thêm hai lớp thép mạ tròn bên ngoài lớp vỏ PE.

1.5.3 Phân loại cáp quang Để thuận tiện cho việc nghiên cứu có thể phân loại cáp quang cho các hướng như sau:

Phân loại theo cấu trúc

Cáp quang có cấu trúc cổ điển với các sợi hoặc nhóm sợi quang được phân bổ đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm, hiện đang trở nên phổ biến trên thị trường.

-Cáp có lõi trục có rãnh: các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt trên các rãnh có sẵn trên một lõi của cáp

-Cáp có cấu trúc băng dẹ: nhiều sợi quang được ghép trên một bảng, và các ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau

Cáp quang có cấu trúc đặc biệt với khả năng tích hợp nhiều dây kim loại, phục vụ cho các mục đích như cấp nguồn từ xa, cảnh báo và hỗ trợ đường nghiệp vụ Đối với cáp đo trong nhà, chỉ cần hai sợi quang là đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng.

Phân loại theo điều kiện lắp đặt:

Phân loại theo mục đích sử dụng

Bao gồm các loại cáp sau:

-Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn

-Cáp trung kế giữa các tổng đài

Các linh kiện phát và thu quang

Linh kiện phát quang

2.1.1 nguyên lý bi n đ i điện quang a Giới thiệu về vật lý bán dẫn

Trong nghiên cứu vật liệu, các vật liệu bán dẫn cho thấy chức năng vừa dẫn điện vừa cách điện Đặc tính dẫn điện của chúng được mô tả qua sơ đồ vùng năng lượng Ở nhiệt độ thấp, tinh thể thuần túy có vùng dẫn hoàn toàn trống điện tử và vùng hóa trị đầy Giữa hai vùng này có một dải cấm năng lượng không chứa mức năng lượng nào Khi nhiệt độ tăng, một số điện tử bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm, tạo ra các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống tương ứng Sự di chuyển của điện tử tự do và lỗ trống trong vật liệu tạo ra tính dẫn điện khi điện tử từ vùng hóa trị đi vào các lỗ trống, khiến lỗ trống chuyển động ngược lại với dòng điện tử.

Sự tập trung điện tử và lỗ trống có thể được coi là sự tập trung bản chất bên trong, ký hiệu là n i, và được tính theo công thức: n = p = n i = K exp ( - Eg/ 2kβ T ), trong đó K là hằng số đặc trưng cho vật liệu, được xác định bằng công thức K = 2 ( 2π kβ T/h 2 ) 3/2 ( m c m h ) 3/4.

T là nhiệt độ tuyệt đối k β là hằng số Bolzman h là hằng số Plank m c ,m h tương ứng là khối lượng của điện tử và lỗ trống

Tính dẫn điện của vật liệu có thể được tăng cường bằng cách pha thêm một lượng nhỏ tạp chất thuộc nhóm V như P, As, Sb, qua quá trình pha tạp Các nguyên tố này có năm điện tử ở lớp ngoài; khi thay thế nguyên tử Si, bốn điện tử sẽ tạo liên kết đồng hóa trị, trong khi điện tử thứ năm có khả năng tham gia vào dẫn điện Các tạp chất này được gọi là chất cho vì chúng có thể nhường một điện tử cho vùng dẫn, tạo ra vật liệu loại n, nơi dòng điện được hình thành từ các điện tử Ngược lại, trong vật liệu loại p, ba điện tử tạo nên liên kết đồng hóa trị, và sự dẫn điện xảy ra do sự di chuyển của các lỗ trống sinh ra khi điện tử được kích thích từ vùng hóa trị.

Hình 2.1 a Sơ đồ m c n ng lượng và kích thích các điện t v ng hoá trị sang v ng dẫn b Sự tập trung điện t và lỗ trống

Việc tăng cường khả năng dẫn điện có thể đạt được bằng cách thêm các nguyên tố thuộc nhóm III, những nguyên tố này có ba điện tử ở lớp ngoài Khi bổ sung một lượng nhỏ tạp chất hóa học vào các vật liệu nguyên chất, sẽ hình thành chất bán dẫn ngoại lai Tính dẫn điện của chất bán dẫn này tỉ lệ thuận với sự tập trung của các hạt mang điện, dẫn đến sự xuất hiện của hai loại hạt mang điện tích trong vật liệu.

- Hạt mang đa số âm: ám chỉ cho cả các điện tử trong vật liệu loại n và các lỗ trống trong vật liệu loại p

- Hạt mang thiếu số: ám chỉ cho cả các lỗ trống trong vật liệu loại n và các điện tử trong vật liệu loại p

Phân bố tập trung lỗ trống

Chuyển dịch điện tử Điện trường E

Phân bố tập trung điện tử

Hoạt động của các thiết bị bán dẫn cơ bản dựa trên sự phun và trích của các hạt mang thiểu số

Hình 2.2 a Tiếp giáp p-n b Phân cực ngược c Phân cực thuận b Nguyên lý bi n đ i điện quang tại lớp ti p giáp P-N

Các vật liệu bán dẫn loại n và loại p, sau khi được pha tạp, đóng vai trò là chất dẫn điện Để chế tạo các thiết bị điện tử, cần kết hợp cả hai loại vật liệu này, tạo ra các đặc tính điện đặc trưng cho thiết bị bán dẫn Sự kết hợp này hình thành nên tiếp giáp p-n, một yếu tố quan trọng trong công nghệ bán dẫn.

Khi tạo tiếp giáp p-n, điện tử từ vật liệu loại n khuếch tán vào lỗ trống của vật liệu loại p, dẫn đến việc lấp đầy các lỗ trống bên p và sinh ra lỗ trống bên n Quá trình này tạo ra một điện trường ngang qua tiếp giáp, ngăn cản sự chuyển động của các điện tích khi đạt được trạng thái cân bằng.

Do sự hình thành cấu trúc liên kết đồng hóa trị từ các điện tử và lỗ trống, vùng tiếp giáp không có điện tử và lỗ trống di động được gọi là vùng nghèo hay vùng tích điện không gian.

Vùng nghèo mở rộng ra Tiếp giáp pn Điện trường trong

Các điện tử khuếch tán

Khi áp dụng điện áp phân cực thuận, các lớp tiếp giáp sẽ bị phá vỡ thế cân bằng điện tích Điện tử từ miền n và lỗ trống từ miền p sẽ tái hợp trong miền hoạt tính, phát ra photon Tần số và bước sóng của ánh sáng phát ra được xác định bởi độ chênh lệch dải năng lượng E pn giữa dải hóa và dải dẫn của vật liệu bán dẫn.

Các chất bán dẫn được phân loại thành hai loại chính: vật liệu có dải cấm trực tiếp và dải cấm gián tiếp, dựa trên hình dạng của dải cấm liên quan đến động lượng K.

2.3 ở đây cho phép ta xem xét việc tái hợp của lỗ trống và điện tử kèm theo sự phát xạ photon Quá trình tái kết hợp đơn giản nhất và dễ xảy ra nhất khi mà điện tử và lỗ trống có cùng động lượng, trong trường hợp này ta có vật liệu dải cấm trực tiếp còn trong dải cấm gián tiếp các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng dẫn và lớn nhất ở vùng hóa trị lại xảy ra tại các giá trị động lượng khác nhau Như vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phân tử thứ ba để duy trì động lượng photon rất nhỏ

Hình 2.3 a Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp b Sự phát photon với vật liệu dải cấm dán tiếp

2.1.2 Nguồn phát quang a Vật liệu ch tạo nguồn phát

Các loại vật liệu bán dẫn có khả năng bức xạ ánh sáng rất đa dạng, và bước sóng ánh sáng bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách năng lượng giữa dải hóa và dải dẫn của từng vật liệu Điều này dẫn đến việc các vật liệu này phát ra ánh sáng ở nhiều vùng bước sóng khác nhau Để sử dụng hiệu quả trong công nghệ sợi quang, vật liệu được chọn cần bức xạ ánh sáng ở ba vùng bước sóng chính là 850 nm, 1310 nm và 1550 nm Thêm vào đó, các vật liệu bán dẫn cũng được sử dụng cho lớp tích hợp trong các ứng dụng quang học.

Năng lượng photon E ph Động lượng K Động lượng K

Vùng hoá trị Ký hiệu: dir: Trực tiếp ind: Gián tiếp

Năng lượng photon Hν=End + Eph

Năng lượng vùng cấm gián tiếp

Năng lượng vùng cấm trực tiếp Hν=Edtr cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dải cấm trực tiếp

Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có khả năng tái kết hợp đủ lớn để phát quang hiệu quả Thực tế không có bán dẫn đơn phân tử nào tạo ra dải cấm trực tiếp; vật liệu này chỉ có thể được chế tạo từ các hỗn hợp của các nguyên tố Vật liệu phổ biến nhất là các hợp chất từ nhóm III (như Al, Ga hoặc In) và nhóm V (như P, As hoặc Sb), được gọi là vật liệu III-V Đối với các bước sóng từ 800nm đến 900nm, hợp kim GaAs/Ga 1-x là vật liệu được sử dụng.

Al x với x là hàm lượng, Al và 1-x là hàm lượng Ga Nhờ tỷ lệ phù hợp giữa hàm lượng Al và

Ga có thể đạt giá trị Ec phù hợp để tính được bước sóng yêu cầu theo công thức:

E = hv = hc/λ (2.2) Đối với bước sống dài hơn thì sử dụng hợp kim ghép bốn phần tử là In1-x Ga x

Bằng cách điều chỉnh thành phần phân tử gam x và y trong vùng hoạt tính, ta có thể tạo ra các cấu trúc phát quang với công suất tối ưu tại bất kỳ bước sóng nào trong khoảng 1,0 đến 1,7 μm Hiện nay, cấu trúc GaAlAs và InGaAsP được ưa chuộng trong công nghệ chế tạo nhờ khả năng tương thích tốt với các tham số mang tinh thể trong cấu trúc dị thể Việc đảm bảo sự tương thích cao giữa các tham số cấu trúc mang tinh thể của hai cấu trúc dị thể liền kề là rất quan trọng, giúp giảm thiểu khuyết tật và ứng suất trong thiết bị khi có sự thay đổi nhiệt độ.

Bảng 2.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu cần quan tâm

LIỆU T N VẬT LIỆU DẢI CẤM BƯỚC SÓNG

Các vật liệu hai thành phần

GaP ( Gali - Phốt pho AIAS ( Nhôm - Asen) GaAS ( Gali - Asen) inP ( indi - Phốt pho inAS ( indi- Asen)

2,24ev 2,09ev 1,42ev 1,33ev 0,34ev

0,55 μm 0,59 μm 0,87 μm 0,93 μm 3,6 μm Các vật liệu ba và bốn thành phần

GaAlAS(Nhôm- Gali -Asen) InGaAsP( Indi - Gali -Asen -Phốt pho

Điốt phát quang LED (Light Emitting Diode) là nguồn phát quang lý tưởng cho hệ thống thông tin quang với tốc độ bit tối đa 200Mbit/s, sử dụng sợi dẫn quang đa mode Để hoạt động hiệu quả, LED cần có công suất bức xạ lớn, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao Hiện nay, hai cấu trúc LED phổ biến là cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép được chứng minh mang lại hiệu quả tốt nhất Cấu trúc này bao gồm nhiều lớp phức tạp để thu hẹp miền hoạt tính, với các lớp p và n làm từ vật liệu GaAs và AlGaAs có hệ số giãn nở tương đồng Khi áp điện áp ngoài vào các điện cực, ánh sáng sẽ phát ra từ sự tái hợp của điện tử và lỗ trống trong miền hoạt tính GaAs, nhờ dòng điện chảy qua các lớp giữa hai điện cực.

Lớp p-AlGaAs có độ rộng dải cấm lớn, tạo ra ngưỡng điện ngăn chặn sự di chuyển của các điện tử về phía cực p, giữ chúng lại trong miền hoạt tính.

- Lớp n-AlGaAs cũng tạo ra ngưỡng điện thế để không cho các lỗ trống di chuyển sang vùng n, mà chỉ tập trung trong vùng hoạt tính là lớp P - GaAs

Các linh kiện thu quang

2.2.1 Nguyên lý bi n đ i quang điện

Quá trình chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện diễn ra ngược lại với quá trình chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trong điốt LED và LD Tại lớp tiếp giáp p-n của điốt thu quang, một điện áp phân cực ngược được áp dụng để tạo ra trường dịch chuyển các phần tử tải điện Khi không có ánh sáng tác động, điốt thu quang không có dòng điện, chỉ xuất hiện dòng tối hoặc dòng dò rất nhỏ do điốt bị khoá hoàn toàn.

Khi ánh sáng chiếu vào, năng lượng của các photon được chuyển giao cho các electron, giúp chúng vượt qua mức năng lượng hóa trị và chuyển lên dải dẫn.

Tại vùng tiếp giáp p-n, một miền điện tích không gian được hình thành do điện áp phân cực ngược, tạo ra điện trường Các điện tử và lỗ trống mới sinh ra ở vùng lân cận trở thành phần tử thiểu số Dưới tác động của điện trường, các điện tử thiểu số di chuyển từ miền p sang miền n, trong khi các lỗ trống thiểu số từ miền n di chuyển về miền p.

Khi chuyển sang miền p, một dòng điện được hình thành trên mạch ngoài, gọi là dòng quang điện Tần số và cường độ của dòng điện này phụ thuộc vào tần số và cường độ của ánh sáng chiếu vào.

Nguyên tắc tạo cặp điện t-lỗ trống ở tiếp giáp P-N liên quan đến độ rộng của miền điện tích không gian và tốc độ trôi của các phân tử mang dòng thiểu số Thời gian trôi đi của chúng ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải, đặc biệt khi sử dụng truyền với tốc độ cao, khi đó các xung ánh sáng trở nên rất đẹp.

2.2.2 Các bộ thu quang a các yêu cầu cơ bản đối với thu quang

Các điốt quang trong mạch khuyếch đại thu các máy thu cần đảm bảo chất lượng truyền dẫn cao, vì vậy chúng phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất và độ tin cậy.

- Có hiệu suất lượng tử hoá cao Hiệu suất được định nghĩa là:

= Số điện tử sinh ra / Số photon được hấp thụ

Điốt quang có độ nhạy lớn, được định nghĩa đơn giản là tỉ số giữa dòng điện quang sinh ra và ánh sáng đầu vào Vật liệu chế tạo điốt thu quang đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị này.

Hiện nay, việc truyền dẫn quang được thực hiện qua ba cửa sổ với mức suy hao thấp của sợi quang Các điốt thu quang được chú ý ở hai vùng bước sóng chính: vùng thứ nhất từ 0,85 đến 0,9 μm và vùng thứ hai từ 1,3 đến 1,6 μm.

Trong khoảng sóng từ 0,85 đến 0,9μm, các đầu phát thường sử dụng điốt LED và LD được chế tạo từ vật liệu GaAlAS/GaAS Đối với điốt thu quang, vật liệu chủ yếu được sử dụng là Silic (Si).

Silic có độ nhạy cảm cao với bước sóng khoảng 0,85μm do điốt GaAS phát ra, nhờ vào việc phát triển công nghệ chế tạo Silic Độ rộng dải chắn năng lượng của Silic được xác định là Δw = 1,1ev.

Trong vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6μm, cần sử dụng các bán dẫn có độ rộng dải chắn hẹp hơn với Ec ≤ 0.95eV Vật liệu đơn giản nhất là Giecmani (Ge), nhưng các điốt quang chế tạo từ Ge thường có dòng ngược lớn khoảng 1μA và công suất tạp âm nội cao Do đó, có thể lựa chọn các vật liệu khác như GaAs, InAs, InP và GaSb, thuộc nhóm bán dẫn III-V Các phương án chôn vật liệu bao gồm InxGa1-xAsyP1-y và InxGa1-xAsy, với hàm lượng x và y được tính toán để đạt được dải chắn phù hợp Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các điốt thu quang, đặc biệt là điốt PIN, cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

Lỗ trống Điện tử p i n hv

Vùng hóa trị Vùng nghèo

Lỗ trống Điện tử Vùng cấm

Hình 3.28 Sơ đồ vùng năng l-ợng của

Hình 3.13 Sơ đồ v ng n ng lượng của photon diot PIN

Điốt PIN được cấu tạo từ một lớp dẫn N+ làm nền, trên đó là lớp N hoặc lớp tự dẫn I, và lớp P+ dẫn tốt ở trên cùng, tạo thành cấu trúc P-I-N Bề mặt của lớp P có điện cực vòng, cho phép ánh sáng thâm nhập vào miền I, trong khi lớp chống phản xạ được phủ lên bề mặt lớp P nhằm giảm thiểu tổn thất ánh sáng Khi điện áp phân cực ngược được áp dụng, điốt không dẫn dòng, chỉ có một dòng ngược rất nhỏ.

Nguyên lý hoạt động của điốt PIN dựa trên việc khi ánh sáng chiếu vào lớp P, photon sẽ tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống trong miền P hoặc N.

Khi các điện tử và lỗ trống trong miền i được sinh ra, điện trường nhỏ sẽ hút chúng về hai phía Các điện tử di chuyển về miền N do có điện áp dương, trong khi các lỗ trống di chuyển về miền còn lại.

Trong quá trình hoạt động của điốt, điện áp âm tại miền P + tạo ra các điện tử mới, chúng khuyếch tán sang miền I nhờ gradient mật độ của các phần tử mang điện thiểu số, và sau đó di chuyển về miền N + nhờ điện trường ngoài Tương tự, các lỗ trống sinh ra trong miền N + cũng di chuyển sang miền I và quay trở lại miền P + Sự di chuyển của các phần tử mang điện này tạo ra dòng điện trong mạch ngoài và tạo ra điện áp trên tải Tuy nhiên, một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình này, chúng tồn tại ở xa hai lớp tiếp xúc P + - I và I – N +, không thể khuyếch tán vào miền I vì khoảng cách quá xa, dẫn đến việc tái hợp ngay trong miền P + và N +.

Khái quát hệ thống thông tin quang

Khái quát hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin là một phương thức truyền tải thông tin từ một địa điểm này đến địa điểm khác, với khoảng cách có thể từ vài trăm mét đến hàng trăm ngàn kilômét, bao gồm cả việc vượt qua đại dương Thông tin có thể được truyền qua sóng điện với các tần số khác nhau Hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng và sợi quang để truyền tải thông tin, hoạt động ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ.

3.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang Để truyền thông tin giữa các vùng khác nhau, hệ thống thông tin quang cũng cần phải có mô hình truyền tin cơ bản như chỉ ra trong hình 1.1, và đến nay mô hình chung này vẫn được áp dụng Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền Như vậy tín hiệu đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang cũng như mô hình chung, tuy nhiên môi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi quang Do đó sợi quang sẽ thực hiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu

Hình 3.1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang và phần thu quang

Phần phát quang bao gồm nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển, có thể là bộ điều chế ngoài hoặc bộ kích thích tùy thuộc vào kỹ thuật điều biến Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, trong khi các mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tín hiệu.

Nơi phát tín hiệu đi

Nơi tín hiệu đến là thiết bị thu nhận, chuyển đổi tín hiệu thông tin thành dạng phù hợp để điều khiển nguồn sáng Hai loại nguồn sáng phổ biến trong thông tin quang là LED (Diode phát sáng) và LD (Diode laser).

Sợi quang là môi trường truyền dẫn chính trong thông tin quang, nổi bật với nhiều ưu điểm so với các phương tiện truyền dẫn khác như không khí và cáp kim loại Chúng không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài, có băng tần rộng và suy hao thấp Nhờ vào những ưu điểm này và sự tiến bộ trong công nghệ thông tin quang, sợi quang đã được ứng dụng trong các hệ thống truyền dài và vượt đại dương, đáp ứng nhu cầu về khoảng cách và dung lượng cho các mạng thông tin tốc độ cao Có ba loại sợi quang chính: sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode Hiện nay, sợi quang đơn mode thường được ưa chuộng trong các hệ thống truyền dẫn nhờ vào những lợi thế vượt trội của nó.

Phần thu quang chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu băng tần cơ sở, bao gồm bộ tách sóng quang và mạch xử lý điện Bộ tách sóng quang thường sử dụng photodiode như PIN và APD Mạch xử lý tín hiệu điện có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và tái sinh để đảm bảo tín hiệu được xử lý chính xác.

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin, từ khi ra đời, đã áp dụng nguyên lý truyền thông tin theo mô hình chung, cho phép thông tin được truyền từ phía phát qua môi trường sợi quang đến phía thu Trong quá trình này, tín hiệu thông tin sẽ được biến đổi tại mỗi giai đoạn.

Phía phát là nơi mà các nguồn tín hiệu như âm thanh, hình ảnh và dữ liệu được xử lý thành tín hiệu điện, có thể ở dạng tương tự hoặc số Những tín hiệu điện này sau đó được đưa vào bộ phát quang, nơi chúng được điều chế quang bằng nhiều phương pháp khác nhau, như điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng hoặc điều biến gián tiếp, nhằm tạo ra tín hiệu quang Cuối cùng, tín hiệu quang này sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đến phía thu.

Môi trường sợi quang là nơi truyền dẫn ánh sáng từ đầu phát đến đầu thu, tuy nhiên, trong quá trình này, tín hiệu quang có thể bị suy giảm do đặc tính quang học của ánh sáng và sợi quang Suy hao và tán sắc làm cho cự ly truyền dẫn dài gây khó khăn trong việc khôi phục tín hiệu ở phía thu Để khắc phục vấn đề này, trên tuyến truyền dẫn thông tin quang thường được trang bị các bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp để tái tạo tín hiệu bị suy giảm.

Tín hiệu từ môi trường truyền dẫn sẽ được bộ thu quang tiếp nhận và chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện, giống như tín hiệu phát ban đầu Qua quá trình này, chúng ta thu được tín hiệu thông tin cần thiết.

3.1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang tận dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền thống sử dụng cáp đồng hoặc công nghệ thông tin vô tuyến trước đây.

Hệ thống thông tin sợi quang sở hữu dung lượng truyền dẫn lớn nhờ băng tần rộng rãi lên đến hàng ngàn THz, cho phép phát triển các hệ thống WDM với khả năng truyền tải dữ liệu vượt trội So với các phương thức truyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại, sợi quang mang lại dung lượng lớn hơn đáng kể.

Suy hao truyền dẫn của sợi quang rất thấp, đặc biệt trong các vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm, cho phép truyền dẫn băng rộng với tốc độ cao hơn nhiều so với cáp kim loại Nhờ vào suy hao nhỏ, sợi quang trở thành lựa chọn tối ưu cho việc xây dựng mạng với chi phí hợp lý.

Sợi quang không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài nhờ vào vật liệu cách điện, điều này giúp nó không bị tác động bởi các yếu tố như điện từ trường, từ đó tránh được hiện tượng nhiễu điện từ.

Sợi quang có độ tin cậy cao vì tín hiệu truyền trong nó hầu như không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài và không bị xuyên âm giữa các sợi Điều này mang lại chất lượng truyền dẫn tốt và tính bảo mật cao hơn so với các phương thức truyền dẫn vô tuyến và cáp kim loại.

Sự phát triển của k ỹ thuật thông tin quang

Hệ thống thông tin quang đã phát triển mạnh mẽ trong vài thập kỷ qua, mặc dù các phương thức sơ khai của nó đã xuất hiện từ lâu Qua nhiều thế hệ, hệ thống này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, với mục tiêu chính là tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang có thể được tóm tắt qua năm thế hệ khác nhau.

Vào năm 1960, sự phát minh ra Laser đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử kỹ thuật thông tin quang, mở ra khả năng sử dụng dải tần số ánh sáng Tuy nhiên, Laser thời kỳ này gặp phải một số hạn chế như dòng ngưỡng cao, nhiệt độ làm việc thấp và thời gian sống ngắn Đồng thời, nghiên cứu về truyền thông qua sợi quang cũng được tiến hành, cho phép truyền tải thông tin với số lượng kênh lớn hơn nhiều so với các hệ thống vi ba hiện có Dù vậy, trong giai đoạn này, suy hao của sợi quang vẫn còn rất cao.

~1000dB/km, do đó vẫn chưa chứng tỏ khả năng vượt trội so với các hệ thống cũ

Vào năm 1966, Kao đã khuyến nghị cải thiện suy hao do vật chất chế tạo sợi, dẫn đến việc Hockman chứng minh khả năng này Đến năm 1970, Kapron đã chế tạo thành công sợi quang với độ suy hao chỉ 20dB/km tại bước sóng λ = 1μm, cho phép truyền dẫn xa tương đương với cáp đồng Thành công này đã khuyến khích các nhà khoa học và kỹ sư toàn cầu nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thông tin quang Trong những năm 70, nhiều công nghệ mới đã được phát triển để giảm suy hao truyền dẫn và tăng băng thông của Laser bán dẫn, với độ suy hao giảm xuống còn 0,18dB/km Đến đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đầu tiên đã đi vào hoạt động với bước sóng Laser (GaAlAs/GaAs) ở vùng 0,8μm, tốc độ bít B = 45Mb/s và khoảng cách lặp L.

Giai đoạn phát triển thông tin quang thế hệ thứ nhất diễn ra trong khoảng cách từ 10 đến 20 km, với bước sóng 1,3μm của Laser bán dẫn InGaAsP/InP được chế tạo hoàn thiện Nghiên cứu về sợi quang với bước sóng 1,3μm đang được chú trọng, đặc biệt là với suy hao chỉ 1dB/km và hệ số tán sắc cực tiểu.

Vào giữa những năm 80, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 2 sử dụng Laser với bước sóng 1330nm đã được triển khai Ban đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do sử dụng sợi đa mode, nhưng khi sợi đơn mode được áp dụng, tốc độ bít đã tăng cao đáng kể Đến năm 1987, hệ thống thông tin quang với λ = 1330nm, B = 1,7 Gb/s và khoảng cách truyền dẫn 50 km đã được sản xuất, với mức suy hao của sợi chỉ khoảng 0,5 dB/km.

Vào năm 1990, hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba với công nghệ Laser bán dẫn bước sóng 1550nm (InGaAsP) đã được thương mại hóa, đạt suy hao trong sợi quang khoảng 0,2dB/km Tốc độ truyền dữ liệu đã tăng lên 2,5Gb/s và sau đó là 10Gb/s Tuy nhiên, hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm khá cao (16-18ps/nm.km), điều này đã hạn chế khoảng cách giữa các trạm lặp, mặc dù công suất quang vẫn cho phép truyền xa hơn Đặc trưng khoảng cách của hệ thống thế hệ thứ ba là từ 60 đến 70 km ở tốc độ 2,5 Gb/s Để khắc phục vấn đề này, các công nghệ bù tán sắc như dịch tán sắc (DSF) và làm phẳng tán sắc (DFF) đã được áp dụng, giúp tăng khoảng cách lặp lên đến 100km.

Thế hệ thông tin quang thứ 4 đã ứng dụng khuếch đại quang để mở rộng khoảng lặp và sử dụng kỹ thuật ghép nhiều bước sóng (WDM) trong một sợi quang, nhằm tăng cường dung lượng truyền dẫn Khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù đắp cho suy hao quang trong khoảng cách lớn hơn 100km EDFA đã được nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm vào năm 1987 và sau đó trở thành sản phẩm thương mại.

Năm 1991, hệ thống thông tin quang với EDFA lần đầu tiên được thử nghiệm, truyền tín hiệu số với tốc độ 2,5 Gb/s trên khoảng cách 21.000 km và 5 Gb/s trên 14.300 km Công nghệ WDM đã giúp tăng dung lượng kênh đáng kể, trong khi khuếch đại quang EDFA có khả năng khuếch đại toàn bộ bước sóng trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần tách từng bước sóng Năm 1996, tuyến truyền dẫn 20 bước sóng với tốc độ 5 Gb/s mỗi bước sóng trên khoảng cách 9.100 km đã được thử nghiệm, đạt tổng tốc độ 100 Gb/s và băng thông là 910 (Tb/s.km) Đến năm 2000, hệ thống TPC - 6 vượt Đại Tây Dương đã hoạt động hiệu quả với dung lượng 100 Gb/s.

Thế hệ thứ 5 của hệ thống thông tin quang tập trung vào việc giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang Mặc dù khuếch đại quang đã khắc phục được suy hao quang sợi, nhưng vẫn chưa giải quyết được tán sắc Trong số nhiều phương án bù tán sắc, hiệu ứng Soliton quang được xem là giải pháp khả thi nhất.

Hiệu ứng Soliton quang là hiện tượng phi tuyến trong sợi quang, dựa trên sự tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong xung quang cực ngắn truyền qua sợi quang không có suy hao Năm 1994, hệ thống Soliton đã thử nghiệm truyền dẫn tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách 35.000 km và 15Gb/s trên 24.000 km Đến năm 1996, hệ thống WDM với 7 bước sóng đã đạt được khả năng truyền Soliton trên khoảng cách 9.400 km với dung lượng lên tới 70Gb/s.

1974 1978 1982 1986 1990 1992 n¨m tích tốc độ-khoảng cách (GHz-Km) 1 10 100 1000 10000

Hình 1.2 Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.

Khuếch đại quang truyÒn dÉn Soliton

Hình 3.2 Quá trình phát triển của thông tinh sợi quang

Bảng 3.1 Các giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin quang sợi

1966 Khả n ng s dụng đường truyền dẫn cáp quang (ST, tổn thất 1000dB/km

1970 Laser GaAlAs tạo dao động liên tục

Triển khai thành công sợi cáp quang s dụng abaston tổn thất 20dB/km

1973 Phương pháp sản xuất sợi quang có tổn hao thấp (MCVD , 1dB/km)

1976 Laser dao động liên tục

GalnAsP Đề xuất khả n ng sản xuất sợi quang flour

1977 Laser GaAlAs có tuổi thọ ước tính 100 n m

Sản xuất sợi quang Abaston có độ tổn thất tối thiểu 0,18dB/km

1980 Cấu trúc Laser giếng lượng t được chế tạo

1983 Sản xuất Laser diode đơn mode, đơn tần

Sợi quang flour tổn thất thấp

1989 Phát triển Laser GaI/AIGa

3.3 Phân loại các phần t quang điện trong thông tin quang

Hệ thống thông tin quang bao gồm nhiều phần tử quang điện khác nhau, tạo thành một tuyến thông tin quang đa dạng và phong phú Các phần tử này có thể được minh họa như trong hình 3.3.

Các phần tử quang điện trong hệ thống thông tin quang có nhiều đặc tính, chức năng, tốc độ hoạt động và vị trí khác nhau, được phân loại dựa trên yêu cầu của hệ thống Tiêu chí phân loại bao gồm đặc điểm, vị trí, chức năng và ứng dụng Dựa vào hoạt động, các phần tử quang điện được chia thành hai nhóm chính: phần tử thụ động và phần tử tích cực.

Hình 3.3 Các thành phần trong một tuyến thông tin quang

Các phần tử thụ động

Các phần tử thụ động là những thành phần quang học hoạt động khi có ánh sáng đi qua, không cần nguồn kích thích và chỉ đơn giản biến đổi tín hiệu trong miền quang mà không chuyển đổi sang miền điện Nguyên lý hoạt động của chúng chủ yếu dựa vào cấu trúc quang hình và tuân theo các định luật ánh sáng Phần tử thụ động có nhiều ưu điểm về cấu trúc, vị trí lắp đặt và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trên hệ thống vì không cần có nguồn cung cấp hoạt động đi kèm theo Đơn giản về cấu trúc

An toàn về điện cho người sử dụng

KhuÕch đại quang Đầu thu quang

Mặc dù phần tử thụ động có những ưu điểm nhất định, nhưng chúng vẫn tồn tại một số nhược điểm so với phần tử tích cực, đặc biệt là tính không linh hoạt trong cấu hình và khả năng điều chỉnh hoạt động kém Chất lượng hoạt động của các phần tử thụ động phụ thuộc nhiều vào vật liệu và công nghệ chế tạo, dẫn đến các vấn đề như suy hao và tán sắc Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, khả năng của các phần tử thụ động ngày càng được nâng cao.

Các phần tử thụ động trong hệ thống thông tin quang bao gồm :

Các bộ ghép/tách quang

Phân loại các phần tử quang điện trong thông tin quang

4.1 Yêu cầ và chọn tuyến

Khi thiết kế hệ thống thông tin quang, cần nắm rõ các yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống, bao gồm suy hao, tán sắc và tính phi tuyến của sợi quang Đặc biệt, do các đặc tính của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng, việc lựa chọn bước sóng hoạt động là rất quan trọng Xác định rõ ràng và đầy đủ các tham số này trong thiết kế tuyến sẽ giúp xây dựng hệ thống thông tin quang hiệu quả hơn.

4.2 Khảo sát thực tế v à đưa ra phương án dự phòng

Khảo sát quãng đường truyền dẫn của tuyến thông quang là cần thiết để xác định yêu cầu dung lượng hiện tại và trong tương lai gần Việc này giúp tối ưu hóa hệ thống thiết kế tuyến quang, dựa trên các thông số quan trọng như tốc độ bit, dải bước sóng, công suất trung bình lớn nhất phần phát và dải suy hao phần phát.

4.3 Các thông số kỹ thuật yêu cầu

4.3.1 Độ dài cáp lớn nhất

Để đảm bảo hiệu quả của tuyến thiết kế, cần tính toán sao cho độ dài cáp không vượt quá giá trị tối đa cho phép Bên cạnh đó, việc tính toán lượng cáp dự trữ cho hàn nối và các khu vực địa hình phức tạp là rất quan trọng Hệ thống thông tin truyền dẫn quang bao gồm nhiều thông số cần được xem xét kỹ lưỡng.

- Công suất phát Pt = 15dBm

- Chiều dài cuộn cáp (chiều dài tối đa của cuộn cáp là 4km

- Suy hao cáp là αf = 0.23 dB/km

- Suy hao trung bình của một mối hàn là αs = 0,07 dB

- Thiệt thòi luồng quang cực đại hay công suất vô ích cực đại là D = 2db

- Dự trữ hệ thống là M = 6db

- Tán sắc ánh sáng là ≤ 18 ps/nm * km

Thiết kế hệ thống thông tin quang

Yêu cầ và chọn tuyến

Khi thiết kế hệ thống thông tin quang, cần nắm vững các yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống Các tham số quan trọng như suy hao, tán sắc và tính phi tuyến của sợi quang cần được xem xét kỹ lưỡng Bên cạnh đó, việc lựa chọn bước sóng hoạt động cũng đóng vai trò quan trọng, vì các đặc tính của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng Nếu các tham số này được xác định rõ ràng trong quá trình thiết kế, sẽ tạo điều kiện cho việc xây dựng hệ thống thông tin quang hiệu quả hơn.

4.2 Khảo sát thực tế v à đưa ra phương án dự phòng

Khảo sát quãng đường truyền dẫn của tuyến thông quang là cần thiết để xác định yêu cầu dung lượng hiện tại và tương lai Việc này giúp tối ưu hóa hệ thống thiết kế tuyến quang, dựa trên các yếu tố như tốc độ bit, dải bước sóng, công suất trung bình lớn nhất của phần phát, và dải suy hao phần phát.

4.3 Các thông số kỹ thuật yêu cầu

4.3.1 Độ dài cáp lớn nhất

Để thiết kế tuyến cáp quang, cần tính toán độ dài cáp sao cho không vượt quá giới hạn tối đa cho phép Ngoài ra, việc dự trữ cáp cho các mối hàn nối và địa hình phức tạp cũng rất quan trọng Hệ thống thông tin truyền dẫn quang bao gồm nhiều thông số quan trọng cần được xem xét.

- Công suất phát Pt = 15dBm

- Chiều dài cuộn cáp (chiều dài tối đa của cuộn cáp là 4km

- Suy hao cáp là αf = 0.23 dB/km

- Suy hao trung bình của một mối hàn là αs = 0,07 dB

- Thiệt thòi luồng quang cực đại hay công suất vô ích cực đại là D = 2db

- Dự trữ hệ thống là M = 6db

Để đảm bảo cáp đáp ứng yêu cầu thiết kế, chúng ta cần tính toán độ dài thực tế của cáp dựa trên tán sắc ánh sáng, với thông số là ≤ 18 ps/nm * km.

Ltt = Ltuyến + Lcáp dự trữ Trong đó: Lcáp dự trữ = 3,5% Ltuyến Độ dài cáp lớn nhất ký hiệu là Lmax được tính theo công thức sau:

Lmax gain Trong đó: ∑gain = Pt – Pr – M – B - 2αc (dB)

4.3.2 T ính toán độ suy hao cho phép

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang, hiện tượng suy hao xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm địa hình gồ ghề, sự uốn nắn của sợi cáp, hoặc lỗi trong quá trình sản xuất Suy hao này được gọi là suy hao do tán sắc Ngoài ra, khi thiết kế đường dẫn quang, việc hàn nối các sợi quang cũng gây ra suy hao tín hiệu, cùng với suy hao từ việc đấu nối bằng các connector Để tính tổng suy hao của cáp quang, ta có thể sử dụng công thức: αt(tổng) = αf + 2 * αc + αs * Ltt/4 + M + D.

Tổng suy hao của hệ thống có giá trị nằm trong khoảng cho phép suy hao của hệ thống

4.3.3 Tính độ tán sắc cho phép Độ tán sắc của hệ thống được đánh giá qua giá trị  t(tổng Tức là tích của giá trị tán sắc cho phép của hệ thống với độ dài cáp thực tế

4.4 Máy đo quang và các phương pháp đo các thông số sợi quang

Máy đo quang OTDR K2320 a.Yêu cầu của người sử dụng đối với thi t bị đo quang

Thiết bị đo quang là công cụ thiết yếu trong thi công, bảo dưỡng và khắc phục sự cố cáp quang trong lĩnh vực viễn thông và mạng máy tính Các thiết bị này bao gồm Power Meter để đo suy hao toàn tuyến cáp, OTDR để xác định vị trí lỗi và Visual Fault Locator để phát hiện lỗi quang ở khoảng cách ngắn trong vùng mù của OTDR Người dùng thường tìm kiếm một thiết bị quang tích hợp đầy đủ các chức năng trên, với dải tần số rộng, giao diện thân thiện và khả năng lưu trữ cũng như phân tích dữ liệu hiệu quả Máy đo quang K2320 đáp ứng tốt các yêu cầu này, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

OTDR a mode và ơn mode dải rộng lớn:

Người dùng có thể lựa chọn giữa modul quang đa mode hoặc đơn mode, hoạt động trên một hoặc hai bước sóng Dải rỗng tối đa lên tới 46dB, cho phép đo các tuyến cáp quang có kích thước lớn.

POWER M ETTER tính năng cao

Bộ phận đo công suất quang (Power Meter) có dải đo từ -55dB đến +10dB hoặc từ -45dB đến +20dB, cho phép lưu trữ, phân tích và in ấn kết quả đo thông qua phần mềm tương thích với OTDR.

Visua Fault Locator tiện lợi

Bộ phận định vị lỗi (Visual Fault Locator) giúp xác định lỗi sợi quang trong vùng mù của OTDR và kiểm tra sợi quang bằng mắt Ngoài ra, thiết bị K2320 còn có chức năng phát laser đơn mode liên tục ổn định hoặc phát xung 2kHz để định vị sợi quang hiệu quả.

Các chức năng phần mềm phong phú

SmartTest cho phép người dùng chỉ cần một nút bấm để chọn các thông số tối ưu của sợi quang được đo, thu thập kết quả và hiển thị dưới dạng đồ thị và bảng sự kiện trên màn hình Chức năng này rất hữu ích cho cả người mới bắt đầu và các chuyên gia trong lĩnh vực.

DualTrace cho phép hiển thị kết quả đo tại hai bước sóng trên đồ thị, giúp người dùng dễ dàng nhận diện các suy hao phụ thuộc vào bước sóng.

Chức năng Autoincrement rất hữu ích cho các hệ thống có số lượng sợi quang lớn, giúp người dùng tránh nhầm lẫn khi thực hiện nhiều thao tác khác nhau với các sợi quang.

Màn hình màu lớn, dao diện thân thiện, dễ hiểu

Màn hình màu ma trận động kích thước lớn 1.4 inch cho phép hiển thị nhiều cửa sổ làm việc đồng thời, mang lại sự tiện lợi tối đa cho người sử dụng Ngoài ra, người dùng có thể thao tác và nhận trợ giúp bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau trên màn hình.

Lưu trữ, in ấn, phân tích k t quả o

Người sử dụng có khả năng lưu trữ đến 125 giá trị đo trong bộ nhớ máy, hoặc hơn 50.000 giá trị trên ổ cứng (tùy chọn) Các kết quả đo có thể được biên tập, in ấn và phân tích hai chiều, cả trên máy và thông qua phần mềm mô phỏng trên PC, với dữ liệu lưu trữ trên đĩa mềm 3.25 thông dụng.

Thi t k gọn nhẹ, thích hợp khi công tác tại hiện trường

K2320 có thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện trong cấu trúc vững chắc có lớp polimer bảo vệ ngoài

K2320 có thể sử dụng nguồn điện AC, 12V DC hoặc pin sạc lại được trong máy c Máy đo quang OTDR K2320

Các thông số kỹ thuật yêu cầu

4.3.1 Độ dài cáp lớn nhất

Khi thiết kế tuyến cáp quang, cần tính toán để đảm bảo độ dài cáp không vượt quá giá trị tối đa cho phép Đồng thời, cần dự trữ lượng cáp cho các điểm hàn nối và các khu vực địa hình phức tạp Hệ thống thông tin truyền dẫn quang bao gồm nhiều thông số quan trọng.

- Công suất phát Pt = 15dBm

- Chiều dài cuộn cáp (chiều dài tối đa của cuộn cáp là 4km

- Suy hao cáp là αf = 0.23 dB/km

- Suy hao trung bình của một mối hàn là αs = 0,07 dB

- Thiệt thòi luồng quang cực đại hay công suất vô ích cực đại là D = 2db

- Dự trữ hệ thống là M = 6db

Để tính độ dài cáp phù hợp với yêu cầu thiết kế, cần xác định tán sắc ánh sáng là ≤ 18 ps/nm * km Việc này giúp tính toán độ dài thực tế của cáp một cách chính xác.

Ltt = Ltuyến + Lcáp dự trữ Trong đó: Lcáp dự trữ = 3,5% Ltuyến Độ dài cáp lớn nhất ký hiệu là Lmax được tính theo công thức sau:

Lmax gain Trong đó: ∑gain = Pt – Pr – M – B - 2αc (dB)

4.3.2 T ính toán độ suy hao cho phép

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang, hiện tượng suy hao xảy ra do nhiều nguyên nhân như địa hình gồ ghề, uốn nắn cáp hoặc lỗi sản xuất Suy hao này được gọi là suy hao do tán sắc Khi thiết kế đường dẫn quang, việc hàn nối các sợi quang và sử dụng connector cũng gây ra suy hao tín hiệu Để tính tổng suy hao, ta sử dụng công thức: αt(tổng) = αf + 2 * αc + αs * Ltt/4 + M + D.

Tổng suy hao của hệ thống có giá trị nằm trong khoảng cho phép suy hao của hệ thống

4.3.3 Tính độ tán sắc cho phép Độ tán sắc của hệ thống được đánh giá qua giá trị  t(tổng Tức là tích của giá trị tán sắc cho phép của hệ thống với độ dài cáp thực tế.

Máy đo quang và các phương pháp đo các thông số sợi quang

Máy đo quang OTDR K2320 a.Yêu cầu của người sử dụng đối với thi t bị đo quang

Thiết bị đo quang là công cụ thiết yếu trong thi công, bảo dưỡng và khắc phục sự cố các tuyến cáp quang trong lĩnh vực viễn thông và mạng máy tính Các thiết bị này bao gồm power Meter để đo suy hao toàn tuyến cáp, OTDR để xác định điểm lỗi và Visual Fault Locator để phát hiện lỗi quang ở khoảng cách ngắn trong vùng mù của OTDR Người dùng cần một thiết bị quang tích hợp tất cả các chức năng này để tiện lợi trong công việc, với dải đo rộng, giao diện thân thiện, cùng khả năng lưu trữ và phân tích kết quả hiệu quả Máy đo quang K2320 đáp ứng tốt những yêu cầu này, mang lại sự thuận tiện tối đa cho người sử dụng.

OTDR a mode và ơn mode dải rộng lớn:

Người sử dụng có thể lựa chọn giữa modul quang đa mode hoặc đơn mode, hoạt động ở một hoặc hai bước sóng Dải rổng lớn nhất có thể đạt tới 46dB, cho phép đo các tuyến cáp quang có kích thước lớn.

POWER M ETTER tính năng cao

Bộ phận đo công suất quang (Power Meter) có dải đo từ -55dB đến +10dB hoặc từ -45dB đến +20dB, cho phép lưu trữ và phân tích kết quả đo Thiết bị này đi kèm phần mềm hỗ trợ cho OTDR, giúp in ấn các dữ liệu đo một cách dễ dàng.

Visua Fault Locator tiện lợi

Bộ phận định vị lỗi (Visual Fault Locator) giúp xác định lỗi sợi quang trong vùng mù của OTDR và kiểm tra sợi quang bằng mắt K2320 không chỉ có chức năng này mà còn hoạt động như một nguồn phát laser đơn mode liên tục ổn định hoặc phát xung 2kHz để định vị sợi quang một cách hiệu quả.

Các chức năng phần mềm phong phú

SmartTest cho phép người dùng chỉ với một nút bấm lựa chọn các thông số tối ưu của sợi quang, thu thập kết quả và hiển thị dưới dạng đồ thị và bảng sự kiện trên màn hình Chức năng này rất hữu ích cho cả những người chưa có kinh nghiệm lẫn các chuyên gia trong lĩnh vực.

DualTrace cho phép hiển thị kết quả đo tại hai bước sóng trên đồ thị, giúp người dùng dễ dàng nhận diện các suy hao phụ thuộc vào bước sóng.

Chức năng autoincrement rất hữu ích cho việc quản lý các hệ thống có số lượng sợi quang lớn, giúp người dùng tránh nhầm lẫn khi thực hiện nhiều thao tác khác nhau.

Màn hình màu lớn, dao diện thân thiện, dễ hiểu

Màn hình màu ma trận động 1.4 inch lớn cho phép hiển thị nhiều cửa sổ làm việc đồng thời, mang lại sự tiện lợi tối đa cho người dùng Ngoài ra, người sử dụng có thể thao tác hoặc nhận trợ giúp bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau trên màn hình.

Lưu trữ, in ấn, phân tích k t quả o

Người dùng có thể lưu trữ tối đa 125 kết quả đo trong bộ nhớ máy, hoặc hơn 50.000 giá trị trên ổ cứng, và sử dụng đĩa mềm 3.25 để lưu trữ Các kết quả đo này có thể được biên tập, in ấn, và phân tích hai chiều thông qua phần mềm mô phỏng trên PC, với khả năng lưu trữ trên đĩa mềm.

Thi t k gọn nhẹ, thích hợp khi công tác tại hiện trường

K2320 có thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện trong cấu trúc vững chắc có lớp polimer bảo vệ ngoài

K2320 có thể sử dụng nguồn điện AC, 12V DC hoặc pin sạc lại được trong máy c Máy đo quang OTDR K2320

Máy đo quang vạn năng SIEMENT K2320 cung cấp khả năng đo lường đa dạng, bao gồm OTDR đơn mode, OTDR đa mode, đo công suất quang, bộ định vị lỗi và nguồn phát laser đơn mode Với ổ cứng tích hợp, thiết bị cho phép lưu trữ nhiều dữ liệu, giảm thời gian truy cập và lưu trữ thông tin Phần mềm mô phỏng trên PC hỗ trợ in ấn tài liệu chất lượng cao cho mục đích lưu trữ và nghiệm thu Màn hình màu lớn 10.4 inch sử dụng công nghệ ma trận động giúp người dùng dễ dàng đọc kết quả mà không cần chuyển đổi giữa các màn hình khác nhau.

Hệ thống truyền dẫn K2320 cho phép kiểm tra nhanh chóng và dễ dàng nhờ vào chức năng SmartTest Chỉ với một nút bấm, máy sẽ tự động lựa chọn các thông số phù hợp để đo kiểm sợi quang Đặc biệt, chức năng DualTrace cho phép đo cùng lúc tại hai bước sóng và hiển thị kết quả trên cùng một đồ thị, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích.

Chức năng Autoincrement giúp tiết kiệm thời gian đo và lưu trữ kết quả trong hệ thống nhiều sợi quang Chỉ cần một nút bấm, người dùng có thể ghi lại đồ thị và bảng sự kiện kết quả đo của một sợi quang Thiết bị K2320 cung cấp hộp thoại chỉ dẫn giữa các sợi và cảnh báo khi phát hiện lỗi hoặc suy hao vượt ngưỡng cho phép Hệ thống thư mục trên đĩa cứng hỗ trợ tổ chức dữ liệu, giúp truy cập dễ dàng hơn.

- Chức năng SmartTest cho phép phân tích sợi quang dễ dàng, thuận tiện chỉ cần bấm một nút

- Chức năng Autoincrement tăng tốc độ thao tác lặp đi lặp lại trên hệ thống có nhiều sợi quang, tiết kiệm thời gian, tiền bạc và loại trừ lỗi

- Chức năng DualTrace hiển thị kết quả đo tại cả hai bước song trên một đồ thị để dẽ dàng phân tích

- Khả năng đo vạn năng đem lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng

- Dải rộng OTDR đơn mode lên đến 46dB cho phép đo và kiểm tra trên khoảng cách lớn

- Phần mềm mô phỏng chạy trên PC cho phép in ấn, biên tập và phan tích hai chiều số liệu đo

- Màn hình ma trận động kích thước lớn cho phép theo dõi kết quả đo rất dễ dàng

- K2320 có thể sử dụng nguồn AC hoặc 12V DC

- Màn hình trợ giúp và thao tác có thể trên nhiều ngôn ngữ

- Mode lưu dữ cho phép định vị nhanh chóng và chính xác các điểm gãy sợi quang cũng như các điểm đã đánh dấu

Máy OTDR Plus k2320 là thiết bị đa năng kết hợp giữa OTDR đơn mode, OTDR đa mode, bộ đo công suất quang, bộ định vị lỗi và ngòi phát laser đơn mode, tất cả được bảo vệ bởi lớp polymer chắc chắn Thiết bị này cho phép thực hiện các công tác đo kiểm ngoài hiện trường như đo kiểm tra cuộn cáp, đo suy hao tuyến, đo suy hao sợi quang (dB/km), đo suy hao phản xạ quang, đo độ dài tuyến, định vị lỗi và sử dụng xung 2kHz để xác định vị trí sợi quang Với nhiều chức năng linh hoạt, k2320 có thể được tối ưu hóa cho các ứng dụng trong viễn thông, truyền hình cáp (CATV) và mạng máy tính (LAN) Cấu trúc mô đun của k2320 cho phép bổ sung các khối chức năng khi cần thiết.

Chức năng OTDR của K2320 bao gồm cả OTDR đơn mode và đa mode, với dải đo rộng lên tới 46dB, phù hợp cho ứng dụng trong viễn thông, truyền hình cáp (CATV) và mạng máy tính (LAN) Bộ phận đo công suất quang (Power Meter) cho phép đo kiểm dễ dàng giữa hai đầu tuyến (End-To-End), với khả năng lưu trữ số liệu để phân tích và in ấn qua phần mềm OTDR Đối với ứng dụng CATV, phạm vi đo công suất quang từ +20dB đến -45dB Ngoài ra, bộ phận định vị lỗi (Visual Fault Locator) giúp xác định lỗi trong vùng mù của OTDR và kiểm soát sợi quang bằng mắt.

Nguồn phát laser đơn mode: k2320 với OTDR đơn mode có thể thực hiện chức năng nguồn phát quang ổn định để đo suy hao

Xung kiểm tra 2kHz được nhận diện bởi các máy định vị sợi quang như Check Point và CheckPoint Plus, giúp xác định vị trí sợi quang tại các mối hàn hoặc điểm sửa chữa.

Các phương pháp đo các thôngs ố sợi quang

4.5.1 Đo suy hao sợi quang sử dụng máy đo quang dội

Suy hao là thông số quan trọng giúp xác định mức độ suy giảm tín hiệu quang khi truyền qua một chiều dài sợi quang nhất định Thông qua đó, có thể tính toán độ dài tối đa cho phép của tuyến mà không cần trạm lặp Do đó, việc xác định thông số suy hao là cần thiết, và hiện có hai phương pháp đo suy hao của sợi quang đang được áp dụng.

- Phương pháp đo hai điểm: dung máy phát quang và máy đo công suất quang

Phương pháp đo tán xạ ngược sử dụng máy đo quang dội OTDR, hay còn gọi là máy đo phản xạ quang theo thời gian, để đo suy hao sợi quang Để thực hiện đo suy hao sợi quang hiệu quả, cần có một nguồn quang với công suất ổn định cùng với một máy đo công suất quang có độ nhạy cao.

Nguyên lý đo mức công suất quang là xác định giá trị ở đầu và cuối sợi quang Phương pháp này được chia thành hai cách khác nhau để kết nối với sợi quang, mặc dù vẫn dựa trên cùng một nguyên lý.

Hình 4.1 Đo suy hao theo phương pháp cắt

Nối hai đầu sợi quang cần đo vào sợi quang (LS và máy đo quang (OPM như (hình 4.1 tiến hành đo các bước sau:

- Cho nguồn quang hoạt động, đo và ghi nhận công suất quang ở đầu xa L1: P1

- Cắt sợi quang ở đầu gần nguồn quang L2 (2m

- Nối máy đo công suất quang vào đoạn L2 đo và ghi nhận công suất quang ở đầu gần P2

- Tính suy hao của sợi quang theo công thức:

- Suy hao trung bình của sợi:

Suy hao ghép ở hai đầu sợi quang xuất hiện trong cả hai lần đo công suất đầu gần và đầu xa, giúp loại trừ ảnh hưởng của nhau trong tính toán suy hao Phương pháp đo cắt sợi mang lại kết quả chính xác và đã được ITU-T công nhận là phương pháp tham khảo hiệu quả để đo suy hao sợi quang.

Phương pháp này có nhược điểm là cắt đi một đoạn sợi quang dài 2m sau mỗi lần đo, do đó không phù hợp với các sợi quang đã được lắp đặt và gán sẵn khớp nối Tuy nhiên, có thể tránh việc cắt sợi khi sử dụng phương pháp thứ hai.

Sợi quang cần được kết nối với dây nối của nguồn quang thông qua một dụng cụ lắp ráp, như minh họa trong hình 1-2 Nếu sợi quang đã được lắp đặt nhưng chưa gắn với khớp nối ở đầu sợi quang, thì dụng cụ đo sẽ là khớp nối.

Trình tự cũng tương tự như phương pháp cắt sợi nhưng trường hợp này có thể đo công suất quang ở đầu gần trước

- Nối sợi dây cần đo vào dây đo của nguồn thông qua dụng cụ và đo công suất quang ở đầu xa P2

- Tính suy hao tổng cộng và suy hao trung bình như phương pháp cắt sợi

Phương pháp đo suy hao bằng cách xen thêm sợi quang cho phép xác định độ suy hao tổng cộng A, bao gồm suy hao của sợi quang và dụng cụ nối Phương pháp này đặc biệt phù hợp khi cần đo suy hao toàn tuyến, bao gồm cả khớp nối ở hai đầu.

4.5.2 Đo suy hao bằng phương pháp tán xạ ngược Ý tưởng của phương pháp này là pjongs các xung ánh sang vào sợi quang rồi thu nhận và phân tich các xung phản xạ, tán xạ ngược theo thời gian để đánh giá đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Nguyên lý đo lường trong máy đo OTDR, do Barnos và Kensen phát triển vào năm 1976, cho phép xác định suy hao của sợi quang, suy hao tại mối hàn và vị trí đứt sợi mà không cần phải cắt sợi Kỹ thuật này dựa trên sự hình thành phản xạ và tán xạ ngược, giúp người dùng dễ dàng kiểm tra tình trạng của hệ thống quang học.

Khi ánh sáng đi qua các khe không khí tại vị trí sợi quang bị hỏng hoặc qua các connector, nó sẽ phản xạ lại tại điểm giao giữa sợi thủy tinh và không khí, diễn ra theo hiện tượng phản xạ Fresnel với hệ số phản xạ nhất định.

Trong đó: n 1 : Chiết suất của sợi quang n 2 : Chiết suất của không khí

Với n 1 = 1.5 và n 0 = 1 thì R = 0.04 = 4% (hay -1.4dB điều đó có nghĩa là ở mặt phân cách (hoặc chỗ sợi bị đứt có 4% công suất quang phản xạ trở lại

Tổng quát: Công suất quang phản xạ được biểu diễn:

Trong đó: R: Hệ số phản xạ

P 0 : Công suất đầu ra α: Hệ số suy hao trung bình v: Vận tốc ánh sang trong sợi t: Thời gian

Tán xạ ngược trong sợi quang xảy ra do sự thay đổi chiết suất, dẫn đến ánh sáng bị tán xạ tại các điểm có sự chênh lệch chiết suất Khi một sóng ngắn bức xạ quang được đưa vào sợi quang, tán xạ Rayleigh tạo ra sự phản xạ nhỏ, khiến năng lượng quang bị tán xạ đẳng hướng ở mọi góc Ánh sáng tán xạ này được thu lại và truyền theo hướng ngược lại ra tại đầu vào của sợi quang Quá trình này được gọi là phân tán, trong đó mỗi phần tử của sợi tập trung vào bức xạ tán xạ ngược Nếu bộ tách sóng quang được lắp đặt đúng cách tại đầu vào sợi, tín hiệu có thể được khôi phục và mô tả đặc tính tiêu hao của sợi quang thông qua đường bao của tất cả các xung.

Khi xem xét kích thích ánh sáng với phân bổ công suất theo hàm Delta Dirac và năng lượng E0 được đưa vào sợi tại thời điểm t = 0 và vị trí z = 0, năng lượng tiêu hao tại khoảng cách z từ đầu vào sợi có thể được tính toán.

E(z) = E exp [- α(ξ d(ξ ] (4-6) ở đây : α(ξ là hệ số suy hao d(ξ là biến cố sự ly

Trong trường hợp sợi đa mode α không quan tâm đến sự độc lập về mode, nếu α được coi là hằng số, nó thường xuất hiện trong quá trình chế tạo sợi quang Khi đó, phương trình (4-6) sẽ được viết lại để phản ánh điều này.

Năng lượng dE s tán xạ ở khoảng cách z từ đầu sợi vào trong đoạn dài dz được biểu diễn bằng công thức dE s = α R (z) E(z) dz Ở đây, α(z) là hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh, thường không phụ thuộc vào vị trí do sự không đồng nhất trong thành phần vật liệu chế tạo sợi quang.

 R z   (4-9) Điều này nói lên rằng công suất tán giảm nhanh ở bước sóng dài

Năng lượng quang dE s được truyền theo mọi hướng với góc 4πsrd, trong đó có một phần nhỏ bị phản xạ lại, được biểu diễn bằng công thức dE sb = S(z).dE s Phần năng lượng này bị giữ lại trên sợi quang và truyền theo hướng ngược lại, thể hiện hiện tượng tán xạ ngược của năng lượng.

Phần năng lượng này được đưa vào sợi quang dEbs đã bị suy giảm do thành phần

Thành phần này được gọi là hệ số suy giảm theo hướng ngược lại, nói chung nó khác với hệ số suy giảm hướng đi

Tóm lại năng lượng đưa vào sợi quang được tính theo: dE bsd  S(z). R (z).E 0 exp([  n ()].d).dz (4-11)

Đo tán sắc và dải thông trong sợi quang

Tán sắc có ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống truyền dẫn sợi quang, được xác định thông qua việc thực hiện các phép đo thử đáp ứng xung trong miền thời gian hoặc phân tích hàm truyền đạt công suất trong miền tần số.

Mối quan hệ theo thời gian giữa công suất đầu vào Pi(t và công suất đầu ra Po(t sợi quang như sau:

Trong đó: h(t là đáp ứng xung

Gọi Pi(w), P 0 (w) lần lượt là các biến đổi Fourier của đáp ứng xung h(t

Hàm truyền đạt H(w thể hiện mối quan hệ giữa công suất quang ở đầu vào và đầu ra của sợi quang thông qua tích chập Cụ thể, H(w là tỷ số giữa công suất quang điều chế sin ở đầu ra và đầu vào Việc đo đáp ứng xung cho phép chúng ta tính toán hàm truyền đạt và ngược lại, tạo điều kiện cho việc phân tích hiệu suất của hệ thống quang học.

Phương pháp đo độ dãn xung được thực hiện bằng cách phóng một xung ánh sáng hẹp vào sợi và đo xung ở ngõ ra Nguyên lý của phương pháp này được minh họa trong hình 4-8.

Hình 4.8 Nguyên lý đo đáp ng xung

Bộ hiển thị Sợi cần đo

Trong sơ đồ này, một xung ngắn từ bộ phát xung laser được đưa vào sợi quang, sau đó được tách ra bằng photodiode tốc độ cao và hiển thị trên bộ chỉ báo dao động lấy mẫu Dạng xung này sau đó được chuyển vào máy tính để vẽ ra giấy Để giảm thiểu ảnh hưởng của thiết bị đo, cần sử dụng một phép đo khác với một sợi quang tham khảo dài vài mét, đáp ứng đặc trưng bởi trị trung bình phương độ rộng xung σ.

I  h ( t ) t dt ( là độ để xung

Nếu xung được gần đúng hoá dới dạng phân bố Gauss thì đáp ứng xung có thể tính được từ độ rộng xung i vào và độ rộng xung o

 2 =  0 2 -  1 2 (4-25) Đọ tán xạ T cũng có thẻ tính được từ độ rộng xung vào và xung ra:

1(T o 2 – T i 2 ) 1/2 (4-26) Với L là chiều dài sợi

Gọi hàm mô tả dạng xung quanh đầu vào là Pi(t và đáp ứng xung của sợi đo và thiết bị đo là lag h(t và h ’ (t)

Khi đó ta có dạng xung đầu ra:

Po(t) = h(t) * h(t) 8Pi(t) (4-27) Đối với đoạn sợi chuẩn (2m) ta có:

Công suất xung ra của đoạn sợi tham khảo được ký hiệu là Po Trong biểu thức (4-27), không cần tính đến đáp ứng xung của đoạn sợi chuẩn vì ảnh hưởng của nó đến công suất ra là rất nhỏ, do đó có thể bỏ qua.

Biến đổi Forier của biểu thức ( 5- 26), ( 5 – 27) ta có:

Hàm truyền đạt H(w) của sợi quang có thể được hiểu là tỷ số giữa biến đổi Fourier của dạng xung đo tại đoạn sợi cần đo và dạng xung đo tại đoạn sợi chuẩn.

Từ hàm chuyển đổi H(w), độ rộng B cho phép xác định tần số thấp nhất, tại đó biên độ giảm một nửa so với giá trị tần số chuẩn Trong sơ đồ, bộ tạo xung laser phát ra các xung ngắn, được chia thành hai luồng qua bộ tách Một luồng đi qua vi thấu kính hội tụ, qua bộ trộn mode và được ghép vào sợi quang cần đo Luồng còn lại đi tới camera thu hình, kết nối với màn hình giám sát, giúp quan sát điều kiện năng lượng quang vào sợi.

Các xung ra từ đầu sợi được tách bằng photodiode tốc độ cao và hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ báo dao động Bộ trễ được sử dụng để tạo tín hiệu đóng mở bộ chỉ báo thời gian tại điểm thích hợp Dạng xung sau đó được đưa đến máy tính và ghi vào băng từ, với phép đo được lặp lại với sợi tham khảo ngắn Máy tính sẽ xử lý kết quả và cung cấp thông tin về độ tán xạ theo các công thức đã định.

Nếu dạng xung vào và ra của sợi quang tương tự như dạng Gauss, thì băng thông của tia tại điểm suy giảm 3dB được tính theo công thức quang.

B = 0.187/ hay B = 0.44/T (4 – 32) với [B] = GHz, [ ] = ns, [T] = ns

Giá trị B được nêu ở trên chỉ mang tính chất gần đúng; để đạt được kết quả chính xác hơn, cần thực hiện phép biến đổi Fourier cho các xung đầu vào và đầu ra Từ đó, chúng ta có thể xác định giá trị B tại biên độ giảm 3dB so với giá trị ở tần số zero.

Để đảm bảo độ chính xác của máy đo, chuỗi xung phát cần có độ rộng phù hợp với đáp ứng xung dự tính của sợi quang Nếu độ rộng của sợi quang lớn, thì xung phát phải hẹp hơn nhiều so với đáp ứng xung của sợi, và ngược lại.

Sơ đồ hệ thống đo đáp ứng xung

Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ng xung

Vi thấu kính hội tụ

Bộ chỉ báo dao động

4.6.2 Đo đáp ứng xung tần số

Hình 4.10 Nguyên lý phương pháp quét tần số

Lý thuy t đáp ứng xung

Hàm truyền đạt của sợi quang có thể được đo trực tiếp trong miền tần số, và nguyên lý của phương pháp quét tần số được minh họa trong hình 4-10.

Nguồn quang trong hệ thống có thể là laser hoặc LED, được điều biến bằng tín hiệu hình sin từ bộ tạo sóng quét Tín hiệu quang này được bơm vào sợi đo, và tín hiệu ra được thu nhận bằng Diode, có thể là PIN hoặc APD Diode này được kết nối với bộ phận tích phổ, trong khi tần số tín hiệu từ bộ tạo sóng quét cũng được truyền trực tiếp vào bộ phận tích phổ.

Trong đó: H m (w : Hàm truyền đạt của máy đo

H 2 (w : Hàm truyền đạt khi đo sợi dài

H 1 (w : Hàm truyền đạt khi đo sợi ngắn

H(w : Hàm truyền đạt của sợi cần đo

Lấy 4-33 chia cho 4-34 ta được:

Hàm truyền đạt có thể viết dưới dạng:

Bộ tạo sóng quét Bộ phân thích phổ

Hàm truyền đạt trong sợi quang có thể được đo lường trong cả miền thời gian và miền tần số Phương pháp đo có thể là bằng cách sử dụng xung cho miền thời gian hoặc quét tần số cho miền tần số Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp phụ thuộc vào mức độ trang bị của máy đo.

Kỹ thuật miền thời gian yêu cầu các thiết bị để tách các xung hẹp, đồng thời cần máy tính để thực hiện biến đổi Fourier Ngoài ra, quá trình đáp ứng pha được thực hiện hoàn toàn tự động.

Thiết kế tuyến quang Đô Lương -Vinh

Tổng quan về viễn thông Nghệ An

Mạng truyền dẫn (Mạng thông tin quang)

5.1.1 Mạng chuyển mạch Đánh giá mạng thực tế đến cuốt tháng 01/2010 toàn Bưu điện Nghệ An có : 4 tổng đài HOST (2 Host của hãng NEC và 2 Host của hãng ERICSSON cụ thể :

Hệ thống HOST NEAX 61E tại Vinh, với dung lượng quản lý 105150 lines, hiện đã hết khả năng quản lý và NEC không còn sản xuất thiết bị tổng đài này Do đó, HOST NEAX-61E và RLU-E sẽ được phân vùng phục vụ cho các khu vực như Vinh, Diễn Châu, Đô Lương, Yên Thành và các vùng lân cận.

Hệ thống HOST NEAX 61 đã đạt giới hạn quản lý với dung lượng 131316 lines và không còn khả năng mở rộng theo hướng dẫn của Hội đồng quản trị Ngoài ra, hãng NEC cũng ngừng sản xuất thiết bị tổng đài này Hệ thống sẽ được phân vùng để phục vụ cho các huyện dọc trục đường 46 và trục đường 7 từ Anh Sơn lên.

Kỳ Sơn , các huyện đường 48 từ Nghĩa Đàn lên Quế Phong và huyện Tân Kỳ

Hai HOST AXE Cửa Nam và Quỳnh Lưu của hãng ERICSSON đã được lắp đặt với dung lượng nhỏ nhưng có khả năng quản lý để mở rộng phát triển cho các huyện và khu vực Do đó, hai HOST này sẽ được phân vùng hợp lý nhằm mở rộng dung lượng phục vụ cho sự phát triển đến năm 2010.

HOST AXE Cửa Nam cung cấp dịch vụ cho khu vực Vinh, Cửa Lò, cùng một phần Hưng Nguyên và Nghi Lộc Trong khi đó, HOST AXE Quỳnh Lưu phục vụ các khu vực Quỳnh Lưu, Diễn Châu, Yên Thành và Nghĩa Đàn.

Hiện nay mạng truyền dẫn thuộc Viễn thông Nghệ An gồm có các mạng Thông tin quang, Vi ba

Xu hướng chuyển đổi sang sử dụng cáp quang đang ngày càng gia tăng, với việc kết nối nhiều nút trên địa bàn Nghệ An tạo thành các vòng Ring có khả năng tự bảo vệ và dễ dàng quản lý Điều này cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của mạng thông tin quang trong khu vực.

Bưu Điện Nghệ An hiện tại sử dụng các loại thiết bị Quang sau:

STM-4 Siemens 253E1 -622Mb/s; Syncom SPF2000 8E1/21E1;

Tuy nhiên thiết bị được sử dụng trên mạng chủ yếu vẫn là hai loại thiết bị

SMA-1K và STM-1, STM-4 là hai thiết bị lý tưởng cho cấu hình mạng vòng và điểm-điểm, với thiết bị Syncom phù hợp cho cấu hình điểm-điểm Cả hai thiết bị này nổi bật với ưu điểm lắp đặt dễ dàng và độ tin cậy cao.

Hình 5.1 Sơ đồ mạng quang

N LỘC anh sơn con cuông t d-ơng quỳ hợp quỳ châu cÇu bùng

SMA-4 vinh cửa nam h.nguyên kim liên nam đàn t.ch-ơng đô l-ơng yên lý quỳnh văn h.mai q.l-u

SMA-1K SMA-1K SMA-1K diÔn ch©u

SMA-1 SMA-1 SMA-1 bến thuỷ cửa lò quán bánh

Hậu thành Đô thành Minh thành

Bản đồ Mạng chuyển mạch Mạng truyền dẫn Viễn Thông nghệ an 2006 - 2008

Ngân hàng NN Nghi Thái Đại Đồng

Nghi Yên Nghi ThiÕt Diễn Thịnh

Nhìn vào cấu hình Mạng ta có thể thấy phương thức bảo vệ của mạng truyền dẫn BĐ Tỉnh Nghệ An gồm có 2 vòng Ring

Vòng 1: Vinh - Diễn Châu - Đô Lương - Thanh Chương - Nam Đàn - Kim

Liên - Hưng Nguyên - Cửa Nam - Vinh

Vòng 2: Diễn Châu - Quỳnh Lưu - Hoàng Mai-Quỳnh Văn-Yên Lý-Cầu

Các vòng Ring này cho phép tăng khả năng bảo vệ và đơn giản hoá việc quản lý.

Chọn tuyến

Huyện Đô Lương, tỉnh Nghệ An, có nền kinh tế phát triển mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu cao về thông tin và giao tiếp trong cộng đồng Điều này đặt ra thách thức trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn cho khu vực miền núi Đối với sinh viên mới tốt nghiệp, việc giải quyết bài toán này không chỉ là cơ hội nghề nghiệp mà còn là cách để đóng góp cho quê hương.

Huyện Đô Lương có địa hình chủ yếu là đồi núi, chiếm 3/4 diện tích, do đó, thiết kế hệ thống thiết bị đầu cuối cần đơn giản Tuy nhiên, công nghệ Viba lại có dung lượng thấp, không đáp ứng được nhu cầu dịch vụ băng rộng Hơn nữa, với khí hậu phức tạp của Đô Lương, mây mù và mưa bão có thể gây ra hiện tượng phadinh, dẫn đến nhiễu lớn trong thông tin truyền tải.

Vì lý do trên, việc sử dụng Viba không phù hợp cho bài toán này; do đó, tôi đã quyết định chọn thông tin quang để giải quyết vấn đề.

Thông tin quang mang lại nhiều ưu điểm, đáp ứng tốt cho các dịch vụ băng thông rộng như truyền hình và truyền số liệu, đồng thời phù hợp với nhu cầu trong tương lai Đặc biệt, việc tận dụng cơ sở vật chất hiện có để thiết kế mạng quang, cụ thể là sử dụng trục đường mòn Hồ Chí Minh, sẽ giúp tiết kiệm chi phí xây dựng đường truyền và thuận tiện hơn trong quá trình thi công.

Chiều dài của tuyến và các phương pháp ứng dụng

Tuyến đường mòn Hồ Chí Minh nối Thành phố Vinh đến Huyện Đô Lương có chiều dài 125km, được khảo sát thực tế Mạng dẫn quang được thiết kế từ vòng Rinh của Huyện Diễn Châu, nằm tại thị trấn Với việc tuyến đường được xây dựng kiên cố, điều này đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thiết kế và thi công.

Do mật độ dân cư thấp và nền kinh tế còn hạn chế, nhu cầu về dung lượng mạng hiện tại và trong tương lai gần không cao Vì vậy, tôi sẽ sử dụng cáp quang đơn mode với thiết kế hai cáp, một cáp dự phòng và một cáp chính Hệ thống được triển khai là STM-4 của FLX 150/600, với các thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu hiện tại.

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật

Danh mục Đơn vị Giá trị

Tốc độ bit Mbps STM – 4 622.08

Công suất trung bình lớn nhất phần phát dBm 15

Dải suy hao phía phát nằm trong khoảng 33 đến 44 dB, với độ tán sắc lớn nhất cho phép là 3200 Ps/nm Độ nhạy thu nhỏ nhất đạt được là -34 dBm (BER = 10), trong khi độ thiệt thòi luồng quang cực đại là 2 dB.

Dự trữ hệ thống dB 6

Cáp quang loại sợi đơn mode chiết suất chảy bậc

Suy hao cáp dB/Km 0,23

Suy hao của một mối hàn dB 0,07

Tán sắc Ps/nm.km