Cỏc trạm lặp được thiết kờ́ và sử dụng khi cự ly truyền dõ̃n dài, sụ́ trạm lặp tuỳ theo khoảng cỏch cự ly truyền dõ̃n, loại điện quang. Ta có sơ đồ khụ́i của trạm lặp như sau:
Rf Cõn bằng Ra A Rb Ca (t) ia (t) ib (t) Cb Photodiot (PIN hoặc APD)
Bộ khuếch đại và cỏc tham số đầu vào của nú Photodiode và điện trở
định thiờn
∼
Hỡnh 2.16. Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược
Biến đổi O/E
Khuếch đại
và sửa mộo Biến đổi E/O Sợi quang
Sợi quang
Tín hiệu quang được đưa vào bụ̣ biờ́n đổi quang điện (O/E) để biờ́n đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bụ̣ khuếch đại và sửa méo để khụi phục lại cường độ tín hiệu, sau đú tín hiệu điện được đưa qua bụ̣ biờ́n đổi điện quang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang. Hỡnh 2.18. thờ̉ hiợ̀n sơ đồ khụ́i chức năng của một trạm lặp điện quang.
Hỡnh 2.18. Sơ đồ khụ́i chức năng của trạm lặp loại điện quang
Trờn thực tờ́ hiợ̀n nay cỏc tuyờ́n thụng tin tốc độ cao người ta sử dụng bụ̣ khuếch đại quang làm cỏc trạm lặp, chủ yờ́u là cỏc bụ̣ khuếch đại đường dõy pha tạp Eribum (EDFA). Cỏc bụ̣ khuếch đại này có ưu điểm là khụng cõ̀n quá trình chuyờ̉n đổi O/E và E/O mà thực hiợ̀n khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.
2.1.6. Cỏc trạm xen/rẽ kờnh
Do nhu cõ̀u của người sử dụng nờn trờn đường truyền tại một sụ́ nơi cõ̀n lṍy thụng tin hoặc cõ̀n truyền thụng tin đi, nờn cỏc trạm xen – rẽ được sử dụng để lṍy thụng tin trờn luụ̀ng hoặc ghộp thờm kờnh thụng tin cõ̀n truyền vào đường truyền chung. Tại cỏc trạm xen/rẽ luụ̀ng thụng tin có thờ̉ được hạ xuống tốc độ phù hợp. Việc xen/rẽ kờnh được thực hiợ̀n thụng qua cỏc thiết bị ghộp kờnh điện (ADM Add/Adaptation layer – Bộ ghộp kờnh xen rẽ). Tuy nhiờn gõ̀n đõy người ta sử dụng cỏc thiết bị xen/ rẽ kờnh quang (OADM Optical Add/Drop Multiplexer – bộ ghộp kờnh xen/rẽ quang), thiết bị này cho phộp tỏch ghộp trực tiếp cỏc luụ̀ng tín hiệu
SQ Khối nghiệp vụ KĐ KĐ,San Bằng Tỏi Tỏi Sinh Sinh Biờn Độ Độ Rộng Kớch Thớch Khụi phục Clok Điều khiển Laser SQ
quang mà khụng cõ̀n thụng qua quá trình biờ́n đổi O/E và E/O như trong thiết bị ADM.
2.2. Cỏc tham số của hệ thống thụng tin quang
Hệ thống thụng tin quang cũng cú một số cỏc tham số nhất định để cho quỏ trỡnh thu cũng như phỏt tớn hiệu quang được đảm bảo. Thụng thường người ta quan tõm tới cỏc tham số chớnh sau:
a. Cỏc tham số điện quang
+ (S/N)e và (C/N)e là tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu và tỉ số súng mang trờn nhiễu được đo và xỏc định về phớa điện của hệ thống điện quang, đú chớnh là tỉ số của điện ỏp, dũng điện hoặc cụng suất điện. Tham số tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống truyền dẫn số luụn được đo sau bộ tỏch súng quang tương ứng với tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu S/N.
+ Độ rộng băng tần điện (BW)e là khoảng tần số trong đú đỏp ứng của tớn hiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dũng điện hay điện ỏp nằm trong giới hạn xỏc định.
+ (S/N)O và (C/N)O là tỉ số tớn hiệu và súng mang trờn nhiễu được đo và xỏc định tại cổng quang của hệ thống tương ứng.
+ Độ rộng băng tần quang (BW)O là khoảng tần số mà tại đú mức cụng suất quang nằm trong giới hạn xỏc định.
b. Cỏc tham số quang
+ Cụng suất yờu cầu tối thiểu của nguồn quang: Mỗi thiết bị trờn đường truyền luụn cú tổn hao nhất định và cú thể biểu diễn bằng một hàm truyền:
L(dB)=10lg vao ra P P (1.1) Trong đú Pra và Pvao là cụng suất ra và cụng suất vào của từng thiết bị, độ tổn hao của toàn tuyến bằng tổng tổn hao của cỏc thành phần trong hệ thống.
Để nhận biết được mối quan hệ của cụng suất phỏt Ps và độ nhạy mỏy thu PD thỡ thụng thường cỏc giỏ trị này được biểu diễn bằng àw cú thể đưa về biểu diễn qua đại lượng dB trong thang đo logarit theo cỏc biểu thức sau:
Ps(dBm)=10lg mw w Ps 1 ) (à (2.1) PD(dBm)=10lg mw w PD 1 ) (à (2.2) Vỡ vậy phương trỡnh cơ bản của toàn tuyến : PS−PD=ΣL+Pdự trữ
Muốn tuyến truyền dẫn hoạt động tốt thỡ hiệu cụng suất lối ra của mỏy phỏt và độ nhạy mỏy thu phải lớn hơn tổng suy giảm trờn toàn tuyến, ngoài ra cũng cần phải cú một lượng đự trữ cụng suất cho toàn tuyến.
c. Độ tổn hao của tuyến
Độ tổn hao của tuyến cú thể chia ra làm hai thành phần như đó được trỡnh bày ở phần trước mà trong đú ta chủ yếu quan tõm tới suy hao do bản thõn sợi quang. Độ suy hao được xỏc định qua hệ số α (dB/km).
d. Độ rộng băng tần của tuyến
Trong đú người ta quan tõm đến độ rộng băng tần của sợi quang; độ rộng băng tần của nguồn quang và cỏc bộ kớch thớch; độ rộng băng tần của cỏc bộ thu quang và cỏc bộ tỏch quang
2.3. Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang
2.3.1. Đặc điểm của ỏnh sỏng
Do ỏnh sỏng cú tớnh súng và tớnh hạt nờn, ỏnh sỏng bức xạ một dải tần số rộng từ 1011 ữ 1015 Hz, được chia thành ba dải ỏnh sỏng lớn:
Dải cực tớm: λ = 100 ữ 380 nm
Dải ỏnh sang trắng (nhỡn thấy): λ = 380 ữ 780 nm Dải ỏnh sỏng đỏ (hồng ngoại): λ = 780 nm ữ 1 mm
trong dải hồng ngoại chia ba dải nhỏ - Hồng ngoại gần cú: λ = 780 ữ 1500 nm
- Hồng ngoại giữa cú: λ = 1500nm ữ 1μm - Hồng ngoại xa cú: λ = 6μm ữ 1mm
Hiện nay trong thụng tin quang sử dụng dải hồng ngoại gần cú: λ = 780 ữ 1500 nm Trong mụi trường đồng nhất thỡ ỏnh sỏng truyền theo đường thẳng, khi gặp mặt phõn cỏch cú chiết suất khỏc nhau, thỡ tia khuc xạ sang mụi trường hai tia phản xạ quay về mụi trường đầu. và cú hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hỡnh 2.19. Nguyờn lý truyền ỏnh sỏng
Nguyờn lý truyền dõ̃n ánh sáng trong sợi quang dựa trờn hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n của tia sáng tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường trong suốt có chiết suất khỏc nhau. Khi cho một tia sáng đi từ mụi trường có chiết suất n1 vào mụi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường xảy ra hiợ̀n tượng phản xạ và khỳc xạ như Hỡnh 1.3. Dựa vào hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n mà ta có thờ̉ truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang với suy hao thấp, ở đõy n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất của phõ̀n vỏ sợi quang.
Quan hợ̀ giữa gúc tớiθt, gúc khỳc xạ θk với cỏc chiết suất n1 và n2
tuõn theo định luật khỳc xạ (tia sụ́ 1):
1 1' 2 3 2' 3' Mặt phõn cỏch i θ k θ i θ 0 θ t θ n1 n2
n1.sinθt=n2.sinθk
(2.3)
Khi tăng gúc tới θt đến một giá trị θ0 nào đú thì tia khỳc xạ khụng đi vào mụi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phõn cỏch hai mụi trường (tia sụ́ 2), gúc θ0 được xỏc định tương ứng với θk =900, do vọ̃y:
n1.sinθ0= n2.sinθk =n2.sin900= n2 ⇒ sinθ0=n2/n1
(2.4)
θ0=arcsin(n2/n1) (2.5)
Nờ́u tiếp tục tăng gúc θt>θ0 thì chỉ còn tụ̀n tại tia phản xạ và hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n xảy ra (tia sụ́ 3), gúc θ0 gọi là gúc tới hạn. Người ta ứng dụng hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n để truyền ánh sáng trong sợi quang khi đú ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phõ̀n liờn tiếp trờn mặt phõn cỏch giữa lõi và vỏ của sợi quang. Để biểu diờ̃n và phõn tớch sự truyền dõ̃n ánh sáng trong sợi quang người ta có thờ̉ sử dụng phương phỏp quang hỡnh mặc dù nó chỉ mụ tả một cỏch gõ̀n đỳng hiợ̀n tượng. Chính xỏc nhất là sử dụng phương phỏp quang sóng song rất phức tạp.
2.3.2. Nguyờn lý truyền ỏnh sỏng trong lừi sợi quang
Ánh sỏng được đưa từ nguồn sỏng vào lừi sợi quang, cỏc tia sỏng được đưa vào lừi sợi quang tại tõm mặt cắt ngang của sợi quang. Tia khỳc xạ đi được vào lừi sợi quang khi gặp mặt phõn cỏch giữa lừi và vỏ thỡ xuất hiện tia khỳc xạ đi ra ngoài vỏ, tia phản xạ quay trở lại lừi. Khi gặp mặt phõn cỏch giữa lừi và vỏ lần thứ hai, tia khỳc xạ lại đi ra ngoài vỏ, tia phản xạ quay trở lại lừ, cứ như vậy, do phản xạ liờn tiếp nhiều lần tia sỏng đi đến được đầu cuối của sợi quang. Tia sỏng truyền trong lừi sợi quang bằng cỏch phản xạ liờn tiếp nhiều lần tại tiếp giỏp giữa lừi và vỏ. Để khụng tổn hao năng lượng của tia sỏng do tia khỳc xạ thỡ phải thoả món điều kiện phản xạ toàn phần tại bề mặt
tiếp giỏp giữa lừi và vỏ. Tỡm điều kiện phản xạ toàn phần tại bề mặt tiếp giỏp giữa lừi và vỏ khi đưa tia sỏng và lừi sợi quang.
Tại điểm đưa tia sỏng vào sợi quang, theo định luật khỳc xạ ta cú: n0.sinθi = n1.sinθr (2.6)
Hỡnh 2.20. Tia sỏng đi trong lừi sợi quang
Trong đú n0 là chiết suất của khụng khí, θilà gúc tới, θrlà gúc khỳc
xạ, a là bán kính lõi sợi quang. Giả sử θ0 là gúc tới hạn, nờ́u θ>θ0 thì tia sáng đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phõ̀n và chỉ truyền trong lõi sợi quang mà khụng đi ra ngoài. Theo cụng thức (2.5) ta có θ0= arcsin(n2/n1) khi đú gúc khỳc xạ tương ứng với gúc tới hạn θ0 là θr0= 900 - θ0. Do vọ̃y gúc tiếp nhọ̃n θi0 tới hạn sẽ thoả mãn điều kiợ̀n: n0.sinθi0 = n1.sinθr0 = n1.sin(900
- θ0) = n1.cosθ0 => n0.sinθi0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2 2 2 1 n n − = NA (2.7) Vì chiết suất của khụng khí n0 = 1, nờn:
NA= sinθi0 = 2 2 2 1 n
n − (2.8) NA được gọi là mặt mở sụ́ của sợi quang, gúc tiếp nhọ̃n cực đại của sợi quang θi0 sẽ tạo thành một hỡnh nón trong đú cỏc tia sáng đi vào tiết diợ̀n của sợi quang với gúc θi>θi0 nằm ngoài hỡnh nón sẽ khụng truyền trong lõi mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Như vọ̃y chỉ cỏc tia sáng nào nằm trong hỡnh nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phõ̀n liờn tiếp giữa lõi và vỏ và truyền dọc theo sợi quang theo đường zớch zắc.
2.3.3. Đặc tớnh truyền dẫn của sợi quang* Cỏc mode trong sợi quang * Cỏc mode trong sợi quang
Việc giải phương trình Maxwell cho ta xỏc định được cỏc thành phõ̀n sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Nghiợ̀m riờng của phương trình sóng gõ̀n đỳng với cỏc sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là cỏc mode truyền trong sợi quang. Người ta chỉ quan tõm đến cỏc mode truyền dõ̃n và mong muụ́n trong sợi quang chỉ tụ̀n tại mode truyền dõ̃n. Trong một sợi quang có rất nhiờ̀u mode sóng có thờ̉ truyền lan. Sụ́ mode phụ thuộc vào đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở sụ́ NA. Ta có thờ̉ xỏc định sụ́ cực đại mode trong sợi quang MMSI theo cụng thức sau:
Nmod = 12 .V2
(2.9)
* Tán sắc sợi quang
Khi truyền dõ̃n tín hiệu sụ́ qua sợi quang xuất hiợ̀n hiợ̀n tượng dãn rụ̣ng cỏc xung ánh sáng ở đầu thu. Hiợ̀n tượng này gọi là tán sắc trong sợi quang.
Độ tán sắc trờn một đơn vị dài =
L t
t22 − 21 (2.10)
Trong đú L là chiờ̀u dài sợi quang, t1 là độ rụ̣ng xung vào ở mức 12
cụng suất, t2 là độ rụ̣ng xung ra ở mức 21 cụng suất.
Cỏc nguyờn nhõn gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc trong sợi quang có thờ̉ liệt kờ như sau:
- Tán sắc vật liợ̀u
Trong thực tờ́ chờ́ tạo sợi quang chiết suất vật liợ̀u khụng phải là hằng sụ́ mà là hàm số theo bước sóng mà n = n(λ). Nờ́u nguồn quang bức xạ phỏt ra ánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng λ0 thì khụng có sự lệch thời gian truyền dõ̃n giữa cỏc phõ̀n của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vọ̃n tốc
ν = λ
n c
= const. Tuy nhiờn LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiờ̀u bước sóng khỏc nhau gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc vật liợ̀u. Hỡnh 2.21. mụ tả ánh sáng bức xạ của LED và Laser diode.
λ ∆ λ ∆ λ Laser 1-2 nm LED 30-40 nm P( )/Pmax 1 0.5 λ
Hỡnh 2.21. Quan hợ̀ P(λ)/Pmax phụ thuộc vào λ
Độ dãn xung τvl bởi nguồn sáng có độ rụ̣ng phụ̉ xỏc định ∆λ với bước sóng trung tõm λ0 là:
τvl = 2 2 0 ( ) . λ λ λ λ d n d c L ∆ (2.11)
Trong đú C là vọ̃n tốc ánh sáng trong chõn khụng.
- Tán sắc mode
Chỉ đỏng kờ̉ ở sợi đa mode, tán sắc mode là do cỏc thành phõ̀n sóng truyền theo cỏc mode khỏc nhau qua sợi với khoảng thời gian khỏc nhau dõ̃n đến dãn rộng xung.
Độ dãn xung đối với sợi MM - SI là: τmod= (n1 n2)
c
L − (2.12) Độ dãn xung đối với sợi MM - GI là: τmod =
c n L . 8 . 2 1∆ (2.13)
Sự truyền dõ̃n cỏc mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lợ̀ d/λ. Cỏc mode truyền dõ̃n với λ khỏc nhau gõy tán sắc. Khi d lớn dõ̃n đến tán sắc nhỏ. Khi d nhỏ một phõ̀n ánh sáng còn được dõ̃n trờn vỏ sợi quang gõy tán sắc lớn. Loại tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.
- Tán sắc mặt cắt
Trong thực tờ́ khụng chỉ chiết suất thay đổi theo λ mà độ chờnh chiết suất vỏ - lõi cũng biờ́n đổi theo λ gõy tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt. Độ dãn xung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chờ́ tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang.
* Suy hao sợi quang
Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu. Trong quỏ trỡnh thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tõm tới suy hao trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang.
- Suy hao trong sợi quang
Là suy hao do bản chất của sợi quang. Là tham số đúng vai trũ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xỏc định khoảng cỏch giữa phớa phỏt và phớa thu. Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tỏn xạ và suy hao do bức xạ. Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao α và được tớnh theo cụng thức sau: α = out in P P L log 10 (2.14) Trong đú L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là cụng suất quang đầu vào, Pout là cụng suất quang đầu ra, α được tớnh theo dB/km. Suy hao trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tỏn xạ Rayleigh.
- Suy hao do hấp thụ vật liệu
Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nờn bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gõy như sau:
+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi
+ Hấp thụ cực tớm hay cũn gọi là hấp thụ điện tử
- Suy hao do tỏn xạ
Do tớnh khụng đồng nhất trong lừi sợi gõy ra mặc dự rất nhỏ. Đú là do cú những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tớnh khụng đồng nhất về cấu trỳc hoặc cỏc khiếm khuyết trong quỏ trỡnh chế tạo sợi quang. Ánh sỏng truyền trong sợi quang bị tỏn xạ ra cỏc hướng và gõy ra tỏn xạ Rayleigh. Tỏn xạ Rayleigh chỉ cú ý nghĩa khi bước súng ỏnh sỏng cựng cấp với kớch thước của cơ cấu tỏn xạ. Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước súng (λ4).