Truyền dẫn sợi quang và kỹ thuật ghép kênh sdh

Các hệ thống này được gán cho các tên nhất định theo môi trường truyền dẫn như : Thông tin viba, thông tin quang , thông tín vệ tỉnh ,...Do được kế thừa những ưu điểm , sự hoàn thiện của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

HGMUIIE

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH ĐATN

TRUYÊN DẪN SỢI QUANG

VÀ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH SDH

GVHD: TRÀN VĨNH AN SVTH: HO NGOC HAI

<LOO1500

TP H6 Chi Minh, thang 02/2000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

TRUYEN DAN SOI QUANG

VA KY THUAT GHEP KENH SDH

GDHD : Ths TRAN ViNH AN

SVTH : HỒ NGỌC HÁI THỨ VIỆN TRUONG DHSPET LỚP : 96 KBD 3/7

SKL 004500

TP HCM 02/2000

222 (1 Ø7i

Baw

Để hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này, ngoài công

sức và kiến thức của mình gần 4 năm học ở trường, em đã nhận

được rất nhiễu sự giúp đỡ của tất cả các thây, cô và các bạn

sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thây cô trong khoa

điện - điện tứ, và các thầy cô ở trường ĐHSPKT TP.HCM

Đặc biệt ern xin chân thành cảm ơn thạc sĩ TRẤN VĨNH

AN, thay da truc tiếp hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn

tốt nghiệp nay

HỒ NGỌC HẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC

TRƯỜNG ĐHSPKT

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Ho va tén sinh viền : HỖ NGỌC HÃI

Lớp : 96 KĐĐ 3/7

Ngành : Kỹ thuật điện — điện tử

L Tén dé i: TRUYEN DAN SGI QUANG

VA KY THUAT GHEP KENH SDH

2 Các số liệu ban đầu:

Yves hawt

NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG: DAN

Truyện ads „ quang va tae cai

pra trong, vb WRG eb qua at duk _

cua gv tte” Nx €a¿, ng» Avifng Ảẩx

Ae nghi 05 Doky Bas Ve leh los ae

nữ, che fey Ov Pear Alet bab ệ

NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYÊT

L069 NO9 PAU

Ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh Nó không chỉ gây ra những chuyển biến thần kỳ trong bản thân ngành vô tuyến điện tử mà còn trở thành một phương tiện kỹ thuật sắc bén, thúc đẩy sự tiến bộ của nhiều ngành khác Trong

đó ngành viễn thông đã và đang phát triển không ngừng, ngày một hiện đại, nhằm để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người trong thế giới ngày nay Đặc biệt là thông tin

quang phát triến, kéo theo nó là một sự tấn công Ô ạt vào các

mạng lưới viễn thóng, tạo tiền để cho những mạng thông tin có

độ tịch hợp cao, dung lượng lớn Việt Nam với một nền viễn thông trẻ cũng đang bắt kịp xu thế này Tuy còn non trẻ nhưng cũng đạt được những thanh tựu to lớn như : tuyến trục Bắc —

Nam; cầu truyền hình; là những hệ thống đã được xây dung thành công và ngày một tiến bộ phát triển hơn Đây là một

bước khởi đầu khá thành công trong công cuộc hiện đại hóa nền

viễn thông trong nước

Tuy em là sinh viên ngành điện - điện tử, nhưng với lòng

mong mỏi tận dụng hết khoảng thời gian này để tìm hiểu, nắm

bắt được những kỹ thuật mới mẻ này, nhằm để trang bị cho

mình một hành trang để chuẩn bị tiếp cận với thực tế khi ra

trường Và sau này sẽ tiếp tục đàu xâu, nghiên éứu cũng như khai thác ứng dụng, trở thành người kỹ sư có ích cho nước nhà

Trong khoảng thời gian này em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi

và đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này Tên để tài của luận văn là : “TRUYỂN DẪN SỢI QUANG VÀ KỸ THUẬT

GHÉP KÊNH SDH “ Đã được trình bày một cách cụ thể qua

hai phan ré rệt Phần I : Lý thuyết truyền dẫn sợi quang và phân II : Kỹ thuật ghép kênh đồng bộ SDH

Do thời gian quá ngắn ngủi, chưa có điều kiện tiếp cận với

thực tế, và kiến thức còn hạn hẹp nên luận văn của em không

thể không có những hạn chế thiếu xót Kính mong hội đông bảo

vệ, quý Thầy, Cô giáo, và các bạn thông cảm, có nhiều ý kiến

chỉ dẫn quí báu để em đúc kết được kinh nnghiệm học tập,

nghiên cứu và ứng dụng tốt hơn cho công tác sau này

PHẨN 1: LÝ THUYẾT TRUYÊN DẪN SỢI QUANG 1

Il, Đác điểm thông tin sới quang 3

II, Cấu trúc và các phần tử của tuyến truyền dẫn sợi quang 4

II Sợi quang 13

2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 14

5 Bước sóng cắt và số lượng mode lan truyền trong sợi 25

3 Một số loại suy hao khác trên sợi quang 29

1 Các tính năng cân thiết của cáp sợi quang 31

TUầN VHÑ'RðENBMNi

có

3 Các loại cáp quang thông dụng và ứng dụng của nó

Chương 2: HÀN NỐI SỢI QUANG

I Các phương pháp hàn nối sợi quang

II Hàn nóng chẩy cáp quang nhiều sợi

II] Kết nối bằng Connector loại sợi quang nhiều sợi

IV Măng sông vỏ cáp

V Các bước kiểm tra khi kết thúc

Chương 3: BỘ PHÁT QUANG TRONG HỆ THỐNG

HONG TIN QUANG

I Nguyén ly phat xa anh sang trong chat bán dẫn

Ill LASER DIODE

1 Cau tao va nguyén lý hoạt động

2 Thông số kỹ thuật của Laser Diode

3 Mạch phát quang dùng Laser Diode tiêu biểu

IV Nhiéu trong nguồn phát Laser

V Yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn quang

Chương 4: BỘ THU QUANG

I Các thành phần của mạch thu quang

1 Bộ tách sóng quang

Bộ tiền khuếch đại

Bộ cân bằng Mạch tách đồng hổ Mạch quyết định

71

73

73

43 73

I Cơ bắn về hệ thống quang kết hợp

II Giới thiệu các phương pháp điều chế số

1 Phường pháp điểu chế ASK

3 BO giao thoa Mach-Zehnder

IV Các phương thức giái điều chế

Chương 6: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG

I Giới thiệu các kỹ thuật ghép kênh

3 Các loại ghép kênh - tách kênh theo bước sóng

II Ghép kênh phân tần số

IV Các thiết bị dùng trong ghép và tách kênh

1 Ghép - tách kênh

Star-coupler thụ động

Bộ lọc quang điểu khiển được

Laser bán dẫn điều khiển được tần số phát

II, Các bộ khuếch đại quang

1 Khu&ch dai Laser ban dan (SLA )

2 Hộ khuếch đại quang sợi

Chương 8: MÃ ĐƯỜNG TRUYỂN

LOAN VAN TORNGIMER

1V, Giao tiếp với tín hiệu STMI

1 Giao tiếp điện

2, Giao LiẾp quang

V, Cấu trúc thiết bị - mạng trong hệ thống SDH

A, Cấu ưrúc thiết bị

1 Thiết bị đầu cuối và thiết bị trạm lặp

PROVEN DAN SOLQDANG

PHANI:

LY THUYET TRUYEN

DAN SOI QUANG

Ẩn Tô Ni0E MAT

CHƯƠNG GIỚI THIỆU

1 GIỚI THIÊU CHUNG:

Nhu cầu về thông tin giao tiếp đã có từ khi loài người mới xuất hiện , nhu cầu ngày một cấp thiết theo thời gian Cho đến ngày hôm nay có rất nhiều hệ thống

thông tin đưới các hình thức đa dạng ,mà nó được phát triển và kế thừa từ các hệ thống củ để ngày một hiện đại hơn Các hệ thống này được gán cho các tên nhất định theo môi trường truyền dẫn như : Thông tin viba, thông tin quang , thông tín vệ tỉnh , Do được kế thừa những ưu điểm , sự hoàn thiện của các hệ

thống trước , cho nên chúng có được tốc độ cao, cự ly xa hơn , ổn định hơn và

hệ số suy hao cũng thấp hơn nhằm thỏa mắn nhu cầu ngày một tăng của con

người

Công việc nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bat dau từ việc phát minh ra Laser lam nguén phát quang vào năm 1960, nó đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng trên lý thuyết thì nó cho phép ta thực hiện truyền dẫn thông tin lớn gấp nhiều lần hệ thống viba hiện có Cùng khoảng thời gian này ,việc chế tạo ra sợi dẫn quang

đầu tiên dù có suy hao rất lớn (~ 1000 đB/km ) cũng đã tạo ra mô hình hệ thống

có tính linh hoạt hơn Sau đó vào năm 1966 ,Kao và Hockman nhận thấy rằng

sự suy hao chủ yếu trong sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây ra ; đồng thời họ cũng nhận định rằng có thể làm giảm suy hao và chắc chấn

sẽ tổn tại một điểm trong dải tần quang mà tại đó suy hao đạt cực tiểu Những

nhận định này được sáng tỏ khi Karpon, Keck, Maurer đã chế tạo thành công sợi quang thủy tỉnh có suy hao 20 đB/km vào năm 1970 Hơn nữa , vào những năm nay các nhà khoa học đã chế tạo ra được Laser bán dẫn - có khả năng thực hiện đao động liên tục ở nhiệt độ khai thác và tuổi thọ lên đến hàng chục ngàn gid —

đã có ý nghĩa thúc đẩy sự phát triển hệ thống thông tin quang

Cho đến đầu năm 1990, các hệ thống truyền dẫn quang đã được sử dụng khá

phổ biến với bước sóng làm việc 1300nm Ngày nay sợi dẫn quang đã đạt được

sự suy hao rất nhỏ 0.154đB/km ở bước sóng 1550nm ( gần đạt đến giá trị lý thuyết cho sợi đơn mode là 0.14đB/km) cho thấy sự phát triển vô cùng mạnh mẽ

của công nghệ truyền dẫn quang trong hơn hai thập kỷ qua

Những năm gần đây, nước ta đã đưa hệ thống thông tin quang vào khai thác trong mạng lưới viễn thông quốc gia Nó được triển khai trong cả mạng thông tin

đường dài, nội hạt, mạng truyền hình, các mạng diện rộng và cả Tạng nội bộ

SVM RONGOCHR

LAN Đồng thời có xu hướng quang hóa toàn bộ mạng lưới viễn thông hiện

có

II ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN QUANG :

1, Đặc điểm sợi dẫn quang :

Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và

kinh tế nhất đang có hiện nay với các đặc điểm sau :

* Suy hao thấp hơn rất nhiễu so với cáp đồng trục hay cáp song hành kim

loại nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn

* Hàng tân truyền dẫn rất lớn nên có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu ârn thanh ,dữ liệu và các tín hiệu hổn hợp thông qua một hệ

thống có cự ly đến 100GHz.km Tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang, một

khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh , hình ảnh có thể truyền đến các địa điểm hang tram km ma khong c4n đến các bộ tái tạo Ngoài ra nó còn có thể đáp ứng được cho các mạng số liền kết đa dịch vụ ISDN, B-ISDN đang có xu hướng phát

triển mạnh

* Có kích thước nhỏ, nhẹ, không có xuyên âm Do đó ta có thể dễ dàng lắp

đặt ở các thành phố, tàu thủy và các tòa nhà cao tầng mà không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp

* Sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiểu của sóng điện từ , vì vậy chúng

có thể được lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường

số lượng nhỏ nguyên liệu là có thể sản xuất được một lượng cáp dài

2 Đặc điểm của linh kiện thu - phát quang:

* Có khả năng điều chế tốc độ cao nên được sử dụng trong truyền dẫn tín

hiệu tốc độ cao và băng rộng

* Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi O/E, E/O cao

PROVEN DAN SOL QUANG

* Cho phép suy hao giữa máy thu - phát lớn ( vì các linh kiện có khả

năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao ) vẫn đảm bảo chất lượng hệ thống

3 Tính kinh tế và chất lượng cao : Do có khoảng lặp lớn, cấu trúc gọn nhẹ,

để lắp đặt và bảo dưỡng

4 ngoài ra thông tin quang còn cho phép truyển dẫn đồng thời các tín hiệu có

bước sóng khác nhau ( ghép kênh quang theo tần số FDM,WDM) Đặc tính này

cùng với khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang làm cho dung lượng

truyền dẫn của tuyến rất lớn

Ww CẤU TRÚC VÀ CÁC PHẨN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG :

Lĩinh ] biểu diễn một cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang nói chung tín hiệu điền tư các thiết bị đầu cuối được mã hóa, biến đổi sang tín hiệu quang thóng qua b phát quang ( dạng “CÓ” hay “ KHÔNG CÓ” ánh sáng ) và sau đó được gởi vào sợi dẫn quang Các xung ánh sáng này khi truyền trong

sợi quang bị suy hao và đãn xung, tới đầu thu sẽ được biến đổi trở lại thành các tín hiệu điện theo quá trình ngược lại

1 Thiết bị ghép kênh ;

Thiết bị ghép kênh trong các hệ thống thông tin quang hiện nay là các thiết bị

ghép kênh số Tín hiệu điện được biến đổi thành tín hiệu điểu xung mã (PCM)

và ghép vào kênh theo nguyên tắc phân kênh theo thời gian (TDM) Có 2 tiêu chuẩn của tín hiệu PCM được dùng hiện nay :

_ Châu âu: Lượng tử hóa theo luật A, tốc độ luồng tín hiệu số cơ bản là

2.048 MbiUs gồm 30 kênh thoại chuẩn tốc d6 64 kbps

_Bắc Mỹ và Nhật Bản : lượng tử hóa theo luật h, tốc độ luỗng tín hiệu số

cơ bản là 1.544 Mbit/s gdm 24 kênh thoại chuẩn tốc độ 64kbps

Ngoài ra việc biến đổi hay mã hóa tín hiệu tương tự thành tín hiệu số cồn có

thể được thực hiện bằng các phương pháp khác như điểu xung mã vi sai (DPCM), điều xung mã vi sai tự thích nghỉ (ADPCM), điều chế Delta (DM), điều

chế Delta tự thich nghi (ADM)

2 Thiết bị tram đầu cuối quang :

Giao tiếp với thiết bị ghép kênh và sợi quang , sơ đổ khối như hình 2 chức năng chính của thiết bị là :

_ Hướng phát : Tiếp nhận tín hiệu điện từ thiết bị ghép kênh đưa đến, đổi tín

hiệu điện sang dạng mã thích hợp với đường dây quang và cho tín hiệu điện kích

thích nguồn quang

_ Hướng thu : Tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện Sau khi được

khuếch đại, phục hồi, tín hiệu điện được chuyển sang dạng mã thích hợp với

_ Mạch kích thích (Driver) : Tổng hợp dòng điện phân cực và chuỗi xung tín

hiệu để kích thích nguồn quang

_ Nguồn quang : Linh kiện phát quang có thể sử dụng Diod phát quang

(LED) hay Laser Diod (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều rất phù hợp cho các

hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có cường độ phụ thuộc vào dòng điểu biến Bước sóng làm việc của nó phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và phải tương thích với bước sóng làm việc của sợi quang khai thác trên tuyến

* Hướng thu :

~ Mạch thu quang : Trong khối thu quang còn có mạch tiền khuếch đại Bộ

biến đổi O/E ở đây sử dụng các photodiod để tách sóng quang (có thể là PTN hay ADP) Đặc tính quan trọng của bộ thu quang là độ nhạy thu quang , nó mô

tả công suất quang nhỏ nhất mà bộ thu quang vẫn còn có thể tách sóng quang ở

một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ số lỗi bit cho phép

_ Khối khuếch đại : Tín hiệu thu được khuếch đại chủ yếu trong lớp này

Độ khuếch đại được điều chỉnh để giữ mức tín hiệu ra đồng đều

a

NT tin

_ Mạch phục hổi (Regenerator) : Khôi phục lại dạng xung và định lại thời

gian nhịp của xung

_ Giải mã (Decoder) : có phát hiện và sửa lỗi

_ Giải ngẫu nhiên : Trộn tín hiệu theo qui luật ngược lại quá trình ngẩu

nhiên hóa ở đầu phát

_ Đổi mã U/B: Đổi mã đơn cực sang nhị cực để truyền đến thiết bị ghép

kênh

* Tín hiệu nghiệp vụ cũng được chuyển sang dạng số rồi đưa vào mạch kích thích để kết hợp với tín hiệu quang luồng chính Ở đầu thu, tín hiệu nghiệp vụ được tách ra từ khối khuếch đại

Hình 2 :_ Sơ đỗ khối một trạm đầu cuối quan;

T1 lp Hiểu nhiên 1> CoDpg In =P Nguồn quang a Mã hó:

«| Đổmã «| Giảingấu |@ | Giimã |@ | Phuchdi Khuếh lạ | Thuqguang | ———

>) acc

3 Thiết bi tram lặp:

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài đến một cự ly nào đó, tín hiệu quang

trong Sợi bị suy hao và dãn xung khá nhiều có nguy cơ làm suy giảm tín hiệu

(BER tăng lên) thì cần phải có các trạm lặp (hình 3) Các trạm này thu tín hiệu

quang tới, biến tín hiệu điện, tiến hành khuếch đại và sửa dạng để khôi phục lại dang ban đầu, sau đó lại dùng bộ E/O để phát quang đưa vào sợi trở lại Trong trạm lặp không có khối đổi mã, ngẫu nhiên hóa, mã hóa vì dạng mã trên đường

dây hoàn toàn giữ nguyên

jis \¢

==>} app p>} AMP >) & REGENE >| +

I CLOCK RECOVERY

(nối vao hướng thứ 2)

3 : Sơ đỏ khối trạm tiếp vận

Với sóng quang vào: e(Ð = E.cos (@ct)

Tín hiệu điều chế : e(t) = cos (wmt)

1m: Hệ số điều chế

+ Điểu chế cường độ cho dạng sóng ra có năng lượng trung bình chứ

không phải là biên độ biến thiên tỷ lệ tín hiệu điều chế x(t)

po(t) = p.[I+m.x(9] (w) Khi này tín hiệu ra sẽ có dạng :

E(@ = Ec.[1+m.x()]!2

Ta thấy m.M càng nhỏ thì các thành phân bậc cao có thể bổ qua, dẫn đến

băng thông tín hiệu ra gần giống AM

Phương thức hiện nay đang được sử dụng chủ yếu là điều chế cường độ và

tách sóng trực tiếp (IM/D)

Ngoài ra ngươi ta đã và dang phát triển “hệ thống quang kết hợp “; trong

đo việc điều chế là điều chế ngoài để đảm bảo chất lượng và giải điều kết hợp

dựa trên ý tưởng cơ bản lá trộn tín hiệu nhận được với sóng quang từ bộ dao

đồng nói trong phần thu tạo ra rỗi mới đưa đến photodiod

Loại nay có ưu điểm đặc biệt là :

+ Hạn chế nhiễu bằng tín hiệu dao động nội

+ Có khả năng đưa tân số thu về tân số trung gian thích hợp cho mạch giải

điều chế

+ Tăng độ nhạy thu và sử dụng hiệu quả băng thông

Tuy nhiên nó có nhược điểm là tần số và pha của dao động phải được giữ

cố định, phải kiểm soát được trạng thái phân cực sóng ánh sáng

_ ngoài dạng điểu chế sóng liên tục trên còn có thể điều chế dạng xung

* Để khai thác triệt để băng thông của sợi quang, cũng như các hệ thống thông tỉn trước đây, người ta cũng thực hiện việc ghép kênh ,nhưng ở đây việc ghép kênh thực hiện trên tín hiệu quang như WDM, OTDM, OFDM

* Và để có một cách nhìn hoàn chỉnh hơn về hệ thống , em cũng đã tìm hiểu về kỹ thuật SDH đang rất phát triển , cơ sở vật lý cho việc truyền dẫn SDH không có gì khác hơn là cáp quang một ứng dụng điển hình là hệ thống đường trục 2.5Gbps Bắc Nam mang tầm cỡ quốc gia sử dụng cáp quang đã được vận hành ở việt Nam

+ Tất cả những kiến thức trên em đã trình bày một cách chỉ tiết trong từng chương từ chương mở đầu đến chương 8, nằm toàn bộ trong phần I của quyển

luận văn phân II tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh đồng bộ SDH

CHUONG 1 : SOI QUANG VA CAP SGI QUANG L C0.S6 QUANG HOC:

1 Phổ sóng điện từ :

Các bức xạ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng

hoặc hạt (photon) Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng Người ta

phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số khác nhau như :

- Tân số : ký hiệu f(Hz)

- Bước sóng : ký hiệu A(m)

- Nang lượng photon : ký hiệu E(electron.Volt)=E(eV)

Các thông số trên được sử dụng phổ biến trong từng vùng và chúng có thể

chuyển đổi theo các công thức sau :

Vận tốc của ánh sáng được tính theo công thức sau :

10pm+- Tia Gamma

12

1 IumƑˆ

900nm |

~Ƒ-850nm 800am | y

gã §iãNBẶặRHH[H [ERUðNGII

2 Su phẩn xa toàn phần :

Từ công thức Snell ta có :

- Nếu nụ < nạ thì 0; < 6) : tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến

- Nếu nị > nạ thì 6; > 6 : tia phúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến

Trường hợp nị > nạ, nếu tăng 0; thì 6; cũng tăng và 0; luôn lớn hơn Ô¡ Khi 0;= 902, tức tỉa khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì С được gọi là góc tới hạn 6, Nếu tiếp tuyến tăng 6; > 6, thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phần xạ Hiện tượng này gọi là sự phần xạ toần phan

3 Giao thoa của ánh sáng :

- Sóng ánh sáng là một sóng điện từ dao động vuông góc với phương truyền sóng của nó

-_ Mặt đẳng pha : là tập hợp các điểm có cùng cường độ điện trường, tại

cùng thời điểm

-_ Hiện tượng sóng này chồng lên sóng kia gọi là sự giao thoa

-_ Sự giao thoa tạo ra sóng có biên độ lớn là bội số nguyên lần của nửa bước sóng Sóng sinh ra này gọi là sóng đứng có độ dài của nửa bước sóng hay toàn

sóng (toàn chu kỳ) bằng với độ dài của 2 biên tạo ra nó

Hình 1.3 : Sóng đứng

4 Sự kết hợp của ánh sáng :

Laser Diode tạo nên các nguồn sáng cùng pha nhân tạo bởi vì sự phát xạ ánh sáng cưỡng bức của các nguyên tử xảy ra ở cùng một pha Ánh sáng mà có sóng cùng pha với một sóng khác theo mặt phẳng thẳng đứng với phương truyền sóng của chúng được gọi là ánh sáng kết hợp không gian

Trong thông tin sợi quang, ánh sáng của Laser là ánh sáng kết hợp không

gian đóng vai trò là nguồn sáng rất quan trọng bởi vì sợi quang truyền tải tín

hiệu trên một mode truyền dẫn trong lõi chịu ảnh hưởng của giao thoa

Anh sáng được đưa vào sợi quang từ linh kiện phát quang có xu hướng tỏa ra xung quanh (sự nhiễu xạ tia sáng) làm giảm hiệu suất đưa vào sợi Ánh sáng kết

hợp không gian có thể được tập trung bằng cách dùng một thấu kính, điều này

rất phù hợp với việc đưa ánh sáng vào sợi quang có đường kính lõi rất nhỏ cỡ

khoảng vài jưn

Ngoài ra để nàng cao tính kết hợp của ánh sáng có một yếu tố khác nữa

ấU", Một ánh sáng liên tục có bước sóng đơn được coi là

"kết hịp trong miền thời gian ”,

Ảnh sáng có tính kết hợp cả miễn thời gian và không gian gọi là ánh sáng

Laser, loại ánh sáng này không có trong tự nhiên,

Trong tương lai chúng ta nang được tính kết hợp về thời gian lên thì lúc đó công nghệ thông tin quang sẽ sử dụng biến đổi pha của ánh sáng thay vì sử dụng kha nang biến đổi cường độ như hiện nay, lúc đó công nghệ truyền dẫn đạt được dung lượng cực lớn trong tương lai

Lỗi sợi quang

Hình 4 ; cấu trúc mặt cất sợi quan)

#MDWðSB ANG

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền ánh sáng thấy được và các tia

hông ngoại, có tác dụng giam giữ và truyền lan các sóng ánh sáng Đặc trưng

của sợi như được trình bày ở hình 1.4 có cấu trúc như sau:

- Lớp vỏ bảo vệ (secondary coating): Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ

-_ Lớp phủ (Primary Coating): Có nhiệm vụ bảo vệ sợi quang tránh sự xâm nhập của hơi nước và sự ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm giữa các sợi quang bên cạnh, gidm ảnh hưởng vi uốn cong

- Lép do (Cladding): bao quanh lõi có chiết suất hơi nhỏ hơn lõi để ánh

sáng có thể phần xạ toàn phần

- L6i (Core): Ở giữa sợi quang được làm bằng thủy tỉnh hay chất dẻo, có

chiết suất nụ là nơi mà các photon ánh sáng được truyền từ đầu này sang đầu kia

ĐỂ ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của nó

phái lớn hơn chiết suất của vỏ phản xạ một chút,

3 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sơi quang ;

a) Nguyễn lý:

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm 2 lớp Một là lớp lõi làm bằng thủy tính có chiết suất nị và một lớp vỏ bọc bằng thủy tỉnh có chiết suất n; với n; > nz Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phan xa

toàn phần nhiều lân tại bể mặt biên giữa lõi và vỏ bọc Do đó, ánh sáng có thể

truyén dude trong sợi có khoảng cách rất dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với bán

kính cong giới hạn do nhà sản xuất quy định

Điểm biên phản xạ toàn phần

b) Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) hay còn gọi là góc mở của sợi quang

Sự phan xạ toàn phan chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn Ômax Sin của góc tới hạn này gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA

- Áp dụng công thức Snell để tính NA:

Kái điểm A, đối với Ủa số ]:

A : gọi là độ lệch chiết suất tương đối

- Độ lệch chiết suất tương đối A có giá trị khoảng từ 0,002:0,013 (tức

0,2%+0,3%)

3 Phân loại sợi quang :

«_ Các yếu tố tác động đến sự phân loại sợi quang :

- Sợi dẫn quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số

quang Sự lan truyền ổn định của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi Mỗi mode lan truyền là một mẫu các đường trường điện và từ trường được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng

nụ : chiết suất lớn nhất ở lõi

n; : chiết suất lớp v6 phan xa

A : đó lệch chiết suất tương đối

r: khodng cách từ trục sợi quang đến điểm tính chiết suất

a : bán kính lõi sợi quang

b: bán kính bọc

& : số mũ quyết định dạng biến thiên, (g > 1)

- Các giá tri thong dụng của “g”:

= g=1 :dang tam gidc

PROVEN DAN SOI OUANG 7

* Bang ph4n loai sgi quang :

Sgi quang thach anh

Phân loại theo vật liệu điện môi | Sợi quang thủy tinh da vật liệu

Sợi quang bằng nhựa

Sợi quang ddn mode Soi quang da mode

Sợi quang chiết suất bậc Sợi quang chiết suất biến đổi

a Sui quang đa mode có chiết suất nhảy bậc SI (Step — Index):

Loai sdi quang này có phân bố chiết suất đổng đều trong lõi, lớp vỏ phản xạ

có chiết suất hơi nhỏ hơn lõi để đảm bảo cho sự phần xạ toàn phần Loại sợi này

có độ suy hao và tán sắc modc rất lớn nên nó chỉ thích hợp cho các mạng LAN không cần chất lượng cao và tốc độ truyền dẫn lớn,

Hình 1.8 : Sư truyền ánh sáng trong sơi quang có chiết suất nhảy bac

b Sợi quang đa mode có chiết suất biến đổi đều GI (Gradient Index):

Loại sợi quang này có chỉ số chiết suất lớn nhất tại lõi, và chiết suất giảm

dẫn từ tâm lõi đến mặt biên giữa lõi và vỏ Sợi GI được thiết kế nhằm giảm ảnh hưởng của tán sắc mode, do chiết suất tỷ lệ nghịch với vận tốc truyền ánh sáng

nên khi chiết suất gidm dan về hai phía thì tỉa sáng bị uốn cong và những tỉa

càng xa trục có khoảng cách lan truyền lớn thì có tốc độ truyền càng lớn, tỉa

truyền theo trục sợi quang có vận tốc nhỏ nhất Do đó nó hạn chế được độ dãn

xung do tán sắc mode, vì vậy sợi GI có thể giữ nhiều thông tin (vài GHz.km)

gấp trăm lần so với s THU VIEN TRUONG DHSPET

inh 1.9: Su truyền ánh sáng trong sơi GI

C, Sui quang dun mode SM (Single Mode):

Khi đường kính của lõi giảm xuống và độ sai lệch chiết suất giữa lõi và vỏ nhỏ thì chỉ có những tía sáng đi thắng mới có thể lan truyển được, loại sợi quang này được gọi là sợi Single Mode Trong trường hợp này sợi chỉ truyền được một mode sóng cơ bản, do đó sợi SM không bị ảnh hưởng của tán sắc mode mà chỉ

có tán sắc sắc thể ( ảnh hưởng đến băng truyền dẫn nhỏ), đồng thời nó có độ suy

hao bé nên thường được dùng cho những mạng có tốc độ cao, khoảng cách các

trạm lặp bé (dai thông truyền dẫn của sợi SM rất lớn, có thể lên đến hang trăm

c Một số dạng khác :

- Dạng giảm chiết suất lớp bọc ( Hình 1.11 a): Trong kỹ thuật chế tạo sợi

quang, muốn thủy tỉnh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng chiết suất lớp bọc nhằm bảo đảm độ lệch chiết suất A nhưng chiết suất lõi không cao

- Dang dich độ tán sắc : Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng = 1310 nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550 nm bằng cách dùng sợi quang có dang chiết suất như ở hình 1.11 b

- Dạng san bằng tán sắc (Hình 1.11 c) : Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng để đáp ứng cho kỹ thuật WDM (ghép kênh theo bước sóng ) Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

Hình 1.11 : Các dang chiết suất đặc biét

4 Các đặc tính tán xa của sơi quang ;

a) Các nguyên nhân gây méo tín hiệu quang :

Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần của tán sắc

% Tán sắc mode :

Do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại

truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau

+ Tán sắc bước sóng :

Do tín hiệu quang truyển trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một khoảng

bước sóng nhất định Mỗi bước sóng có vận tốc truyền khác nhau Gồm có tán

sắc vật liệu và tán sắc cấu trúc

* Tán sắc mode :

Trong các sợi quang đa mode, ánh sáng được lan truyền qua nhiều đường, do

đó cự ly lan truyển của các mode là khác nhau khi một xung ánh sáng vào thì tại đầu ra phía thu xung sẽ có độ rộng lớn hơn độ rộng xung ban đầu Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do xung ánh sáng mặt dù có một bước sóng đơn

nhưng lan truyễn với một vài mode khác nhau Hiện tượng này gọi là tán sắc mode, nó làm khoảng trống về thời gian giữa 2 xung cạnh nhau trở nên ngắn hơn so với nguyên bản của nó

Trong sợi quang đa mode độ rộng băng truyển dẫn của nó bị giới hạn chủ yếu bởi tán sắc mode Tương ứng để tăng dải thông truyền dẫn của sợi đa mode thì

ta phải giảm độ tán sắc mode này, một trong những cách đó là thay đổi chiết

suất của lõi có dạng phân bố hình parabol Tuy nhiên giới hạn băng truyền dẫn của sợi này vẫn còn lớn nên muốn có hệ truyền dẫn dung lượng lớn thì cần phải

tính băng truyền dẫn lớn, ta phải sử dụng sợi đơn mode (loại bỏ được tán sắc mode do 1 mode truyền)

"Thực chất tán sắc mode là do ảnh hưởng của nhiều đường truyền

Với loại sợi đa mode có chiết suất nhầy bậc (SI), thdi gian truyền chênh lệch

được tính như sau:

- Tia 1: tia dai nhat, c6 độ dài:

~_ Tia 2 : tỉa ngắn nhất, có độ dài

~_ Thời gian truyền của tia

W0

Thời gian chênh lệch giữa 2 đường truyền là :

Ln Em L (a-m At=t,-t,= ih CG -=t==n|/ £{ nụ t+ (1.16) 1.16

Đối với sợi có chiết suất giảm dắn (GI) độ trải xung do tán sắc mode nhỏ hơn

so với sợi có chiết suất nhây bậc (SI) :

Tổng quát : độ tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi

quang đa mode thông qua số mũ g trong biểu hàm chiết suất :

3#RÙYÊN DẪN S0I GUANG TầNï

Sự phụ thuộc của đ„o¿ vào số mũ g được biểu diễn như sau :

Hình 1,13 : Tán s4e mode (dmog) thay d6i theo dang chiết suất,

* ‘Tin sie bude séng :

Trong một môi trường đồng nhất, chiết suất khúc xạ của nó biến đổi theo bước sóng, kết quả là tốc độ truyền dẫn biến đổi cùng với bước sóng Sự phụ

thuộc chiết suất khúc xạ vào bước sóng được hiểu như là tán sắc ánh sáng qua

một lăng kính

Do đó, ánh sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác nhau vì sự khác nhau của

các thành phần bước sóng ánh sáng (bước sóng dài hơn thì chiết suất khúc xạ đối với nó sẽ nhỏ đi, dẫn đến tốc độ lan truyền lớn hơn) Đây là yếu tố giới hạn băng

truyền dẫn giống như tán xạ mode

Khi chiết suất khúc xạ giữa lớp lõi và vỏ của sợi quang khác nhau chút ít thì hiện tượng phần xạ toàn phần tại bé mat biên không hoàn toàn giống như trên

bể mặt của gương mà còn có thêm những thành phần thẩm thấu ánh sáng qua lớp vỏ Thêm vào đó, mức độ của sự thẩm thấu này biến đổi theo bước sóng, kết

quả là độ dài của đường lan truyền thay đổi theo bước sóng Tán sắc gây nên do hiện tượng này gọi là tán sắc cấu trúc

TTán sắc vật liệu và tán sắc cấu trúc gọi chung là tán sắc mode

Ta có quan hệ sau :

Tán sắc mode >> Tán sắc vật liệu > Tán sắc cấu trúc

Trong trường hợp các sợi quang đa mode, độ rộng băng truyền dẫn bị giới

han hau như chỉ do nguyên nhân tán sắc mode, tán sắc bước sóng rất nhỏ,

DAN SOTO!

Trong trường hợp sợi quang đơn mode thì tán sắc bước sóng lại là nguyên nhân

chính gây ra hạn chế độ rộng băng truyễn của sợi quang

Đối với sợi quang đơn mode thì bước sóng được sử dụng để hoạt động phải

được chọn sao cho ảnh hưởng của tán sắc vật liệu có thể bỏ qua, tán sắc cấu trúc

có thể giảm đi bằng cách tạo nên cấu trúc khác nhau trong việc thiết kế sợi

quang

Vi du : ở bước sóng 850nm; M„¿¿ ~ 100ps/nm.Km ,

Nếu sử dụng nguồn quang có bể rộng phổ AA = 50nm thì độ dãn xung qua

mỗi km sợi quang là :

D„¿¿ =M A^A.= 100(ps/nm.km)*50(ns/km) = 5(ns/km)

Nếu sử dụng nguồn quang LD có AA= 3nm thì độ giẩn xung chỉ khoảng

0,3(ns/m)

Ở bước sóng 1310nm, tán sắc vật liệu bằng độ tán sắc cấu trúc nhưng ngược

sắc bước sóng = 0 Do đó bước sóng 1310nm thường được chọn cho

các tuyến tốc độ cao

đầu nên tá

Để giám ảnh hưởng do tán sắc vật liệu người ta thường dùng nguồn quang là

LD có bề rộng phổ nhỏ hơn so với LED.Về nguyên lý, sự tán sắc vật liệu có thể được giảm bởi bộ lọc quang ở bên phát hay bên thu, chỉ cho phép một dải hẹp

bước sóng tới được Photodiode Tuy nhiên kỹ thuật này có 2 hạn chế : bộ lọc

khó chế tạo cho một dải hẹp này sẽ làm giảm mạnh công suất quang bởi nó khử

bồ những tỉa sáng ngoài băng thông

* Độ tán sắc tổng :

Độ tán sắc tổng được tính theo công thức sau :

D,= VD? ws + D? tr (1.24) V6i Deis = Dat + Dug

Trong những tuyến cấp quang đường dài bước sóng 1550nm được chuộng

hơn nhằm giảm số trạm tiếp vận vì độ suy hao ở bước sóng này chỉ vào khoảng

4 so với mức suy hao ở bước sóng 1310nm Nhưng lại gặp một trở ngại là độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn

Để giải tỏa trở ngại này người ta có thể đi theo 2 hướng :

+ Giảm bể rộng phổ của nguồn quang để giảm :

se ki

b Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit :

Tương tự tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị biến đổi

và độ rộng của xung sẽ bị trải rộng ra , do đó nó sẽ bị gối lên các xung bên cạnh

(gọi là sự tán sắc) Với tốc độ bịt càng cao thì khoảng cách hai xung càng hẹp, nếu xung bị dãn gối lên xung bên cạnh tới một mức nào đó thì mạch quyết định bên mạch bộ thu sẽ không còn phân biệt được các xung kể cận nhau, lúc này sẽ xuất hiện lỗi bit và kết quả là hạn chế khả năng truyễn dẫn của sợi quang

5 Bước sóng cắt và số lượng mode lan truyền trong sơi :

a Số lượng mode lan truyền trong sợi :

Phụ thuộc vào các thông số của sợi Trong đó người ta định nghĩa tân số chuẩn V (thừa số V) không có thứ nguyên để xác định bao nhiêu mode có thể

NA : Khẩu độ số

- Tia tới tương thích với đầu sợi quang sẽ được tiếp nhận nếu nó nằm trong góc Ô„„„ xác định từ khẩu độ số NA đã biết ở phan trước Trong thực tiễn, các khẩu độ số NA nhỏ, ta có thể ính gần đúng : sin Ô„zx * Omax NA Vì thế góc khối tiếp nhận thật sự của sợi là :

- Đối với sự phát xạ sóng điện từ với bước sóng ^ phát ra từ LED hay LD,

số các mode cho một đơn vị góc khối là 2A/A? Với A là diện tích mode đi và đến, Diện tích A trong trường hợp nay là phần mặt cắt lõi na’, Tổng số mode M

đi vào sợi được viết như sau :