Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang

231 trang ngocly 1430

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_co_so_ky_thuat_thong_tin_soi_quang.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang

Chu Công Cẩn Bμi giảng Hà Nội – 2007
Lời nói đầu Ngày nay trong xu h−ớng hội nhập toàn cầu, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng phát triển. Các dịch vụ thông tin ngày càng tăng cả về số l−ợng và chất l−ợng, chúng hết sức đa dạng về tốc độ cũng nh− dung l−ợng, từ các dịch vụ thông tin băng tần hẹp nh− Telex, Fax, thoại đến các dịch vụ thông tin băng tần rộng nh− thoại hình, truyền hình Với nhu cầu này, các hệ thống thông tin cần phải có tốc độ và dung l−ợng cao để sẵn sàng đáp ứng mọi nhu cầu dịch vụ mà vẫn bảo đảm chất l−ợng theo yêu cầu. Đây là vấn đề hết sức khó khăn đối với các hệ thống thông tin sử dụng cáp kim loại và các hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ thống thông tin quang ra đời đã giải quyết đ−ợc các vấn đề trên và nó đã thể hiện đ−ợc tính −u việt hơn hẳn so với các hệ thống truyền dẫn khác. Hệ thống thông tin quang đ−ợc xây dựng và phát triển trên cơ sở của các công nghệ hiện đại và tiên tiến đó là: Công nghệ quang l−ợng tử, công nghệ truyền dẫn ánh sáng và công nghệ điện tử ‐ tin học. Các hệ thống thông tin sợi quang đã thể hiện đ−ợc những −u điểm v−ợt trội trên các mặt: Có dung l−ợng và tốc độ truyền dẫn cao, suy hao hệ thống nhỏ, cự ly thông tin xa, chất l−ợng thông tin cao, tính bảo mật thông tin tốt, kích th−ớc hệ thống nhỏ, cấu hình hệ thống linh hoạt Hiện tại cũng nh− trong t−ơng lai, hệ thống thông tin quang sẽ dần dần thay thế các hệ thống truyền dẫn cáp kim loại. Do vậy, việc nghiên cứu và nắm bắt hệ thống thông tin quang là vấn đề rất quan trọng và hết sức cần thiết. Các phần tử cơ bản cấu thành hệ thống thông tin quang bao gồm các nguồn quang, sợi quang, bộ tách sóng quang và các phần tử đấu nối. Việc nghiên cứu các phần tử phải đ−ợc phân tích và đánh giá một cách đầy đủ từ cấu trúc, các thông số đặc tính đến khả năng ứng dụng của chúng trên hệ thống thông tin quang. Các vấn đề nêu trên chính là cơ sở
kỹ thuật để phân tích, đánh giá và thiết kế các hệ thống thông tin quang đáp ứng đầy dủ các yêu cầu về kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế. Mặc dù đã hết sức cố gắng nh−ng cuốn sách không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình biên soạn, tác giả rất mong nhận đ−ợc sự đóng góp ý kiến phê bình của các đồng nghiệp và bạn đọc để có thể hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về hộp th−: chucongcan@fpt.vn hoặc Bộ môn Kỹ thuật thông tin – P.706‐A7‐ Đại học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội. Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2007 Tác giả
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Ch−ơng 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang 1.1 Khái quát chung Từ xa x−a, một trong những điều quan tâm chủ yếu trong cuộc sống của loài ng−ời là tìm ra các hệ thống thông tin để gửi đi các bản tin từ nơi này đến nơi khác. Bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng gồm các phần tử cơ bản nh− trên hình vẽ 1‐1 Hình 1‐1: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin Các phần tử này cũng bao gồm cả nơi đầu tiên của nguồn tin là nơi đ−a một bản tin tới máy phát. Máy phát tập hợp các bản tin trong kênh truyền dẫn ở cùng một dạng tín hiệu và sắp xếp theo đặc tính của kênh. Kênh truyền dẫn là cầu nối khoảng cách trung gian giữa máy phát và máy thu, nó có thể là các đ−ờng truyền dẫn nh− cáp kim loại, ống dẫn sóng, hoặc truyền dẫn trong không khí. Khi tín hiệu lan truyền trong kênh truyền dẫn nó có thể bị ảnh h−ởng tới hai mặt đó là bị suy giảm và bị biến dạng tín hiệu theo sự tăng của khoảng cách truyền lan. Chức năng của máy thu là thu nhận tín hiệu đã bị suy yếu và méo dạng từ kênh truyền dẫn, khuếch đại chúng và hồi phục chúng trở lại nguyên dạng giống nh− tr−ớc khi chúng đ−ợc chuyển đến nơi nhận tin. 1.1.1 Các hình thức của các hệ thống thông tin Trong lịch sử thông tin có rất nhiều các hệ thống thông tin xuất hiện. Sự thúc đẩy chủ yếu sau mỗi một dạng mới là cải tiến cách thức truyền Optical Fiber Communication 5
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn dẫn cũ nhằm tăng số l−ợng đ−ờng kênh, tốc độ số liệu để có thể gửi đi đ−ợc nhiều bản tin hơn nữa hoặc là tăng cự ly giữa các trạm chuyển tiếp. Môi tr−ờng truyền dẫn. Các ứng dụng. Tử ngoại 800 nm Thoại 10 15 Hz Nhìn thấy Sợi quang Tia Laser Dữ liệu 10 ‐6 m 2.55mm Video Hồng ngoại 10 14 Hz Sóng Hàng hải 100 GHz Milimeter Vệ tinh ‐ Vệ tinh 1 cm Siêu cao tần ống dẫn sóng Chuyển tiếp viba 10 GHz (SHF) Viba Trạm mặt đất ‐ V.tinh 10 cm Radar Tần số cực cao 1 GHz (UHF) UHF TV 1 m Tần số rất cao Hàng không, Mobile Vô tuyến 100 MHz (VHF) VHF TV & FM 10 m sóng ngắn Mobile Radio Tần số cao Cáp đồng Th−ơng mại (HF) Radio nghiệp d− 100 m 10 MHz Trung tần Quốc tế (MF) AM phát thanh 1 MHz 1 km Tần số thấp Vô tuyến Hàng không, Cáp sóng dài ngầm, Hàng hải, Vô (LF) 100 KHz 10 km tuyến đại d−ơng Tần số rất thấp Cáp đối 10 KHz (VLF) xứng 100 k m Điện thoại Âm tần Điện báo 1 KHz Hình 1‐2: Các ví dụ ứng dụng hệ thống thông tin liên lạc trong phổ điện từ. Tr−ớc thế kỷ 19 tất cả các hệ thống thông tin đều có tốc độ chậm và chủ yếu là âm thanh và quang học nh− dùng tù và, trống, kèn và đèn tín hiệu. Một trong những đ−ờng truyền dẫn quang sớm nhất đ−ợc ng−ời ta biết tới đó là lửa của ng−ời Hy lạp sử dụng vào thế kỷ thứ 8 tr−ớc công nguyên để gửi đi các tín hiệu báo động gọi nhau khi cần cấp cứu hoặc thông báo về các sự kiện xảy ra, ở đây duy nhất chỉ có một kiểu tín hiệu. Trong thế kỷ thứ 4 tr−ớc công nguyên, thông tin đ−ợc truyền qua các 6 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn trạm chuyển tiếp và vào khoảng năm 150 tr−ớc công nguyên các tín quang này đ−ợc mã hoá trong sự giao tiếp theo một quy luật nhất định để bất kỳ một bản tin nào cũng có thể đ−ợc gửi đi. Song sự tiến triển của các hệ thống thông tin này là không tích cực vì có sự hạn chế về công nghệ do máy thu tin là mắt ng−ời đòi hỏi h−ớng nhìn theo đ−ờng thẳng và do tác động của khí quyển nh− m−a, mây mù, s−ơng làm cho đ−ờng truyền không đáng tin cậy. Vì vậy khi này ng−ời ta chuyển sang hình thức thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn là gửi tin bằng hình thức qua ng−ời đ−a th− trên các con đ−ờng. Tần số, Hz 1THz 1GHz 1MHz 1KHz 1Hz 10 21 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 Tia gamma Tử ngoại Hồng ngoại Cực ngắn TV Radio ánh sáng Tia X B−ớc sóng, m 1nm 1mm 1mm 1m 1km 10 ‐12 10‐ 9 10‐ 6 10 ‐3 1.0 10 3 10 6 a) Tần số x 101 4, Hz 7.5 4.3 Tím Lam Lục Vàng Da cam Đỏ 400 500 600 700 b) B−ớc sóng, nm Hình 1‐3: Phổ điện từ a) Phân bố tần số và b−ớc sóng; b) Phần nhìn thấy của phổ điện từ. Optical Fiber Communication 7
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Sự phát minh ra máy diện báo do Samuel F.B More vào năm 1838 đã báo hiệu một kỷ nguyên thông tin mới đó là kỷ nguyên của thông tin điện. Dịch vụ điện báo th−ơng mại đầu tiên đ−ợc sử dụng dây kim loại đ−ợc thực hiện vào năm 1844 và sau đó nó đ−ợc phát triển nhanh chóng và rộng rãi trên khắp thế giới. Việc sử dụng cáp kim loại trong truyền dẫn tin đ−ợc mở rộng cùng với sự lắp đặt tổng đài điện thoại đầu tiên ở New Haven, Conecticut năm 1878. Năm 1887 Henrich Hertz phát minh ra sự bức xạ sóng điện từ ở b−ớc sóng dài và vấn đề này đ−ợc chứng minh về Radio của Guylielmo Marconi năm 1895. Trong những năm sau đó phổ của sóng điện từ đ−ợc lợi dụng để truyền đạt tin tức từ nơi này đến nơi khác, tin tức số liệu đ−ợc truyền trên các kênh thông tin bằng cách xếp chồng các tín hiệu trong một bộ phận làm biến đổi sóng điện từ và nó đ−ợc biết nh− là sóng mang. Tại nơi nhận thì tin tức đ−ợc tách khỏi sóng mang và chế biến theo yêu cầu. Việc tăng tần số sóng mang trong băng tần truyền dẫn sẵn có làm tăng khả năng thông tin lớn hơn. Vì vậy khuynh h−ớng phát triển của các hệ thống thông tin điện là dùng các tần số cao hơn và tăng dần (t−ơng đ−ơng với dùng sóng ngắn hơn) tạo ra tăng các giao tiếp trong băng tần. Khả năng thông tin đ−ợc nâng lên, đây là b−ớc ngoặt dẫn đến sự ra đời của TV, radar và các đ−ờng vi ba. Phần phổ của sóng điện từ đ−ợc dùng trong thông tin điện đ−ợc trình bày nh− hình vẽ 1‐2. Tần số trong phạm vi ứng dụng từ khoảng 300Hz trong băng âm tần đến khoảng 90GHz trong băng sóng milimeter. Môi tr−ờng truyền dẫn sử dụng trong phổ bao gồm ống dẫn sóng, dây kim loại và không gian. Các hệ thống thông tin dùng các đ−ờng truyền này là tập hợp các máy điện thoại, máy phát thanh AM, FM, truyền hình (television), băng sóng radio của dân nghiệp d− CB (citizen's band radio), radar, các đ−ờng vệ tinh (Satellite links) Một phần quan trọng khác của phổ sóng điện từ bao quanh miền quang học, trong miền này theo lệ th−ờng ng−ời ta dùng ký hiệu b−ớc sóng để thay thế cho tần số. Phổ quang học đ−ợc sắp xếp từ khoảng 50nm (miền cực tím) đến khoảng 100 mm (miền hồng ngoại), trong đó 8 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn phổ ánh sáng nhìn thấy (bằng mắt ng−ời) từ 400 đến 700 nm. Ng−ời ta đã sử dụng một số vùng b−ớc sóng trong phổ quang học cho một hệ thống thông tin sợi quang. 1.1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang Từ xa x−a con ng−ời đã biết dùng ánh sáng để thông tin cho nhau trong chiến tranh cũng nh− trong đời sống (nh− đốt lửa làm hiệu, đèn hải đăng ) nh−ng lúc đó khái niệm thông tin quang vẫn ch−a hình thành. Năm 1880 Alexander Graham Bell phát minh ra Photophone. Ông đã truyền tiếng nói trên một chùm sáng bằng cách hội tụ một chùm sáng hẹp vào một cái g−ơng mỏng. Khi sóng âm tác động làm cho g−ơng chuyển động làm biến đổi t−ơng ứng năng l−ợng quang từ g−ơng truyền tới bộ tách quang Selen do đó làm thay đổi điện trở của nó và vì vậy c−ờng độ dòng điện trong ống nghe thay đổi để thu đ−ợc tiếng nói. Bell đã sử dụng phát minh của mình để truyền tín hiệu tiếng nói trên 700 feet chiều dài. Tuy vậy cho đến những năm 1950 thông tin quang vẫn còn nằm trong khái niệm. Năm 1950, B.O’Brian lần đầu tiên đã sử dụng các bó sợi quang để truyền hình ảnh nh−ng sợi quang có suy hao lớn nên không sử dụng đ−ợc trong thực tế. Đến giữa năm 1960 tổn hao sợi vẫn còn ở khoảng 1000 dB/km. Năm 1960 ra đời Laser hồng ngọc và tiếp theo là sự ra đời của Laser bán dẫn năm 1962 và các hệ thống thông tin quang đầu tiên ra đời với môi tr−ờng truyền dẫn là không khí. Do các tham số truyền dẫn của môi tr−ờng thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định và bị gián đoạn không thể chấp nhận đ−ợc. Năm 1966, tại Standard Telecommunications Laboratories (n−ớc Anh) những nhà nghiên cứu cho rằng có thể giảm tổn hao sợi xuống còn 20dB/km và sử dụng đ−ợc để truyền dẫn thông tin bằng cách khử tạp chất trong thủy tinh. Năm 1970, Mauner, D.B.Keck và Schultz tại Corning Glass Works đã chế tạo thành công những sợi quang đầu tiên có Optical Fiber Communication 9
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn suy hao nhỏ hơn 20 dB/km và cuộc cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu. Năm 1970 các hệ thống thông tin sợi quang xuất hiện chủ yếu dùng cho quân đội. Đến năm 1977 hệ thống Bell Laboratories Lighguide đ−ợc lắp đặt tại Chicago dùng để cung cấp dịch vụ thoại, số liệu analog, số liệu digital, điện thoại hình và dịch vụ Video 4 MHz cho khách hàng tại Chicago’s Brunsnich Building. Cũng năm 1977, NTT đã công bố sản xuất đ−ợc loại sợi có tiêu hao 0.5 dB/km tại b−ớc sóng l = 1200nm. Năm 1978 xuất hiện sợi chiết suất biến đổi có tiêu hao 3 á 5 dB/km sử dụng cho cả quân sự lẫn dân sự và bắt đầu xây dựng những tiêu chuẩn cho các hệ thống này của các khối SAE, NATO, EFA. Năm 1980 và 1982 các hệ thống thông tin đ−ờng trục 45 Mbit/s và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang đã đ−ợc lắp dặt. Năm 1983 AT&T đã chế tạo thành công sợi đơn mode. Năm 1985 sản xuất đ−ợc sợi quang công tác tại b−ớc sóng l= 1550nm và dung l−ợng hệ thống năm 1986 đã bắt đầu tăng đến 560 Mbit/s, cũng năm 1986 ra đời hệ thống 1.2 á 2.4 Gbit/s. Năm 1985 tại các thành phố Dallas và Newyork đã lắp đặt hệ thống siêu đ−ờng trục gồm 8 kênh video/1sợi và năm 1987 là 16 kênh video/1sợi. Mãi đến năm 1989 các hệ thống vẫn dựa trên cơ sở ghép kênh không đồng bộ, chủ yếu dựa vào các chuẩn giao tiếp DS‐1 và DS‐3, ch−a có chuẩn giao tiếp mạng. Năm 1988 xuất hiện các chuẩn giao tiếp mạng quang đồng bộ gọi tắt là SONET, cùng trong năm này xuất hiện tiêu chuẩn của mạng nội bộ LAN. Cuộc cách mạng thời cận đại của thông tin sợi quang chủ yếu tập trung vào truyền dẫn kết hợp cho phép mang các sóng quang đã điều chế giống nh− sóng vô tuyến với tốc độ số liệu lên tới trên 10 Gbit/s. 10 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Thế hệ đầu tiên công tác ở b−ớc sóng 800 nm sử dụng nguồn quang cơ bản là GaAs, bộ thu là silicon diode, và dùng sợi quang đa mode. Tốc độ truyền dẫn của thế hệ thứ nhất là 45 Mbit/s và 90 Mbit/s ở Mỹ, 34 Mbit/s và 140 Mbit/s ở Châu âu, 32 Mbit/s và 100 Mbit/s ở Nhật với khoảng lặp là 10 Km. Thế hệ thứ hai sử dụng b−ớc sóng 1300 nm cho phép tăng thực sự khoảng lặp trên các tuyến đ−ờng dài với việc dùng duy nhất sợi quang đơn mode có tiêu hao thấp và điều quan trọng là băng tần truyền dẫn rộng hơn. Tốc độ bit với cự ly dài là từ 400 Mbit/s đến 600 Mbit/s và có thể tới 4Gbit/s trên cự ly trạm lặp 40 Km. Đ−ờng cáp quang thả biển đầu tiên gọi là TAT ‐ 8 hoạt động năm 1988 công tác ở b−ớc sóng 1300 nm, tốc độ bit 296 Mbit/s, dùng sợi đơn mode. Trong mạng nội hạt, mạng vùng cả hai loại sợi đơn mode và đa mode đều đ−ợc dùng ở b−ớc sóng 1300 nm với tốc độ từ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s trên khoảng cách thay đổi từ 500m đến 10 Km. Thế hệ thứ ba và thứ t− hoạt động ở b−ớc sóng 1550 nm cho phép tiêu hao trên tuyến là nhỏ nhất. Các thế hệ này đã lôi cuốn nhiều sự chú ý đối với các tuyến truyền dẫn tốc độ cao trên đất liền và d−ới biển. Cả hai loại điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp đều đ−ợc xem xét ở b−ớc sóng 1550 nm. Sự điều chế kết hợp cống hiến cho chúng ta những tiến bộ quan trọng trong các máy thu có độ nhạy cao và nó cho phép sử dụng cân bằng điện để đền bù cho các tác động của việc truyền năng l−ợng quang trong sợi quang. Mặc dù có sự tăng tr−ởng nhanh chóng và thành công trong các ứng dụng nh−ng công nghệ sóng ánh sáng vẫn không dừng lại. Xa hơn là các hệ thống thông tin mà ở đó tất cả đều dùng các thiết bị quang bao gồm chuyển mạch quang, trạm lặp quang và các đơn vị tiếp cận mạng Các ứng dụng bao gồm cả mạng cục bộ (LAN), các mạch vòng thuê bao, các mạng phân phối truyền hình. Thêm nữa có sự nghiên cứu sợi quang phi tuyến để loại bỏ các tác động làm rối loạn ánh sáng làm tăng khoảng cách các trạm lặp từ hàng trăm Km tới hàng ngàn Km. Optical Fiber Communication 11
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1.2 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang 1.2.1 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang Một hệ thống truyền dẫn quang đ−ợc tổ chức nh− hình vẽ 1‐4. Hình 1‐4: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang Từ hệ thống tổng quát ta có một số nhận xét sau: 1. Nguồn tin: Cũng nh− các hệ thống thông tin điện nguồn tin là các dạng thông tin thông th−ờng nh− tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản, âm thanh 2. Phần điện tử: Để xử lý nguồn tin, tạo ra các tín hiệu điện phù hợp với các kênh truyền đ−a vào hệ thống truyền dẫn. Các tín hiệu điện này có thể là tín hiệu t−ơng tự (analog) hoặc các tín hiệu số (digital). 3. Bộ biến đổi điện quang (E/O): Thực hiện việc biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi. Trong hệ thống thông tin quang cũng có những ph−ơng thức điều biến khác nhau. Các hệ thống hiện đang sử dụng trên mạng sử dụng ph−ơng thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện vào c−ờng độ bức xạ quang. Còn các hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherence) trong t−ơng lai sẽ sử dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ kết hợp. 4. Sợi quang (OF): Là môi tr−ờng truyền dẫn tín hiệu quang, cũng nh− các môi tr−ờng truyền dẫn khác nó phải thoả mãn các yêu cầu nh− suy hao tín hiệu phải bé, méo tín hiệu phải nhỏ, băng thông phải rộng 5. Bộ biến đổi quang điện (O/E): Là bộ thu quang, đón nhận tín hiệu quang thu đ−ợc từ sợi quang và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện đ−a vào phần điện tử để biến đổi thành nguồn tin ban đầu. 6. Tải tin: Tải tin trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng, nó cũng là sóng điện từ nh−ng có tần số rất cao từ 101 4 đến 101 5 Hz do vậy rất thuận lợi cho việc truyền tải các tín hiệu băng rộng. 12 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 7. Về chuyển tiếp tín hiệu: Trên đ−ờng truyền các tín hiệu quang bị suy giảm do đó sau một khoảng cách nhất định phải đặt trạm lặp để chuyển tiếp tín hiệu. Hiện tại ch−a thực hiện đ−ợc khuếch đại tín hiệu quang nên tai các trạm lặp phải thực hiện theo các b−ớc cơ bản sau: ‐ Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện ‐ Khôi phục, sửa dạng tín hiệu điện ‐ Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi. 8. Khả năng truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng đều đ−ợc đánh giá bằng hai đại l−ợng sau: ‐ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đ−ợc ‐ Cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã v−ợt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên. Xu h−ớng các hệ thống quang là ngày càng truyền dẫn với dải rộng và cự ly khoảng lặp ngày càng rất lớn. Hai đại l−ợng trên đ−ợc xác định bởi nhiều yếu tố nh−: ‐ Tiêu hao và tán xạ của sợi dẫn quang ‐ Công suất bức xạ, độ rộng phổ và tốc độ điều biến của nguồn quang ‐ Độ nhạy, nhiễu nội bộ của máy thu quang ‐ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến thông tin quang 1.2.2 Các phần tử cơ bản của tuyến truyền dẫn quang. Để nhìn nhận một cách đầy đủ về hệ thống thông tin sợi quang ta xem xét các phần tử cơ bản nhất có trên một tuyến truyền dẫn cáp quang. Một tuyến truyền dẫn cáp quang bao gồm các phần tử cơ bản nh− trên hình vẽ 1‐5. ‐ Máy phát quang (Transmiter): bao gồm nguồn quang (Light source) và mạch điều khiển (Drive circuit) Optical Fiber Communication 13
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn ‐ Cáp quang ‐ Máy thu quang bao gồm: bộ thu quang (Photo‐detector), Bộ khuyết đại (Amplifer), bộ khôi phục tín hiệu (Signal restorer) ‐ Trạm lặp (Repeater): bao gồm bộ thu quang (optical receiver), bộ điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang (optical transmitter) ‐ Các phần tử phụ: Các bộ nối (connector), mối nối (Splice), các bộ tách ghép luồng quang (Optical coupler or beam splitter) Tất cả các phần tử cơ bản trên sẽ đ−ợc xem xét, thảo luận cụ thể trong các phần sau. Hình 1‐5: Các phân tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 14 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang. Sự tr−ởng thành và các khả năng rộng lớn của các hệ thống thông tin cáp quang là sự tập hợp các công nghệ tân tiến và hiện đại nh−: Các công nghệ bán dẫn, nó cung cấp cho hệ thống các nguồn quang cần thiết với c−ờng độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi tr−ờng Các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ năng l−ợng thấp Công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi tr−ờng truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh h−ởng can nhiễu, băng thông rộng Kết quả là một đ−ờng nối truyền dẫn tin có các −u điểm v−ợt trội so với các hệ thống thông tin điện, đặc biệt so với hệ thống thông tin truyền dẫn bằng cáp kim loại. Các −u điểm đó bao gồm các vấn đề sau: 1. Tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang có các tiêu hao truyền dẫn thấp hơn và băng tần truyền dẫn rộng hơn so với cáp đồng. Điều này có nghĩa là hệ thống cáp quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn do vậy làm giảm số l−ợng sợi và giảm số l−ợng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số l−ợng thiết bị và các phần tử hợp thành, giảm giá thành và sự phức tạp của hệ thống. 2. Trọng l−ợng và kích th−ớc nhỏ: Trọng l−ợng và kích th−ớc nhỏ của sợi quang đ−a ra những thuận lợi rất lớn so với hệ thống cáp kim loại nặng nề, cồng kềnh đặc biệt các tuyến cáp đi trong cống ngầm trong thành phố đông đúc. Điều này cũng rất quan trọng trong công nghệ máy bay, vệ tinh và tàu bè, nơi mà cáp nhẹ, nhỏ có nhiều thuận lợi. Đồng thời đặc tính này có ứng dụng trong chiến thuật quân sự, nơi mà số l−ợng lớn của cáp phải khôi phục một cách nhanh chóng. 3. Sự miễn nhiễu ngoài: Optical Fiber Communication 15
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Một đặc tính quan trọng đặc biệt của cáp quang có liên quan tới tính cách điện tự nhiên của chúng. Điều này làm cho cáp quang có tính miễn nhiễu điện từ từ bên ngoài (EMI), nh− vậy sự cảm ứng từ ngoài vào do các sóng điện từ trên các sợi kim loại và do sấm sét là không có. Đồng thời tín hiệu truyền trên cáp quang cũng không gây nhiễu ra ngoài. 4. Tính cách điện: Do sợi cáp quang đ−ợc chế tạo từ thủy tinh là chất điện môi nên không phải lo lắng về sự sự chạm đất, chạm chập nhau giữa các sợi, xuyên âm rất thấp, và các vấn đề về thiết bị giao tiếp là đơn giản. Cáp quang không nên đánh lửa điều này cũng làm lôi cuốn việc sử dụng cáp quang để không gây nguy hiểm cho môi tr−ờng. 5. An toàn cho tín hiệu: Bằng việc dùng cáp quang, một mức độ cao của số liệu có thể cáng đáng đ−ợc, ở đó tín hiệu quang đ−ợc tiếp xúc tốt với môi tr−ờng dẫn sóng. Do vỏ bọc sợi quang là không thấu quang nên khó tiếp xúc đ−ợc với tín hiệu truyền lan trong sợi. Điều này làm lôi cuốn dùng cáp quang trong các ứng dụng mà ở đó tin tức quan trọng đ−ợc bảo đảm nh− là ở nhà băng, mạng máy tính và ở hệ thống quân sự. 6. Sự phong phú về nguyên liệu: Silic là vật liệu chủ yếu để chế tạo cáp quang, nguyên liệu này rất phong phú và rẻ, có thể tìm thấy nó ở các bãi cát th−ờng. Chi phí trong việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ yếu trong quá trình chế tạo thủy tinh cực sạch từ vật liệu thô. Cũng chính từ sự phong phú về nguyên liệu mà gía thành của cáp thấp dẫn tới giá thành của hệ thống cũng giảm theo, nhất là đối với các tuyến thông tin đ−ờng dài mà ở đó giá thành của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào cáp. Với tất cả các −u điểm cố hữu của các hệ thống thông tin sợi quang, mà hiện nay các hệ thống này đã phát triển không ngừng và rộng rãi khắp trên thế giới. Chỉ hơn hai thập kỷ qua đã có hàng hơn chục triệu Km cáp quang đ−ợc xây dựng ở trên thế giới với các đ−ờng cáp xuyên đại d−ơng, xuyên lục địa và xuyên quốc gia có tốc độ cực cao và dung 16 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn l−ợng cực lớn. Tại Việt nam các hệ thống các quang cũng phát triển không ngừng hàng chục ngàn Km cáp quang đã, đang xây dựng đặc biệt trong đó có tuyến cáp quang đ−ờng trục Bắc ‐Nam với tốc độ 2Gbit/s sử dụng kỹ thuật truyền dẫn SDH (Synchronous Digital Hierarchy) và tuyến thông tin quang biển T ‐V ‐H (Thái lan ‐ Việt nam ‐ Hồng công), tuyến SeaMeWe‐3 góp phần hiện đại hoá ngành Viễn thông Việt Nam đáp ứng đ−ợc nhu cầu thông tin liên lạc trong n−ớc và quốc tế, hoà nhập với mạng viễn thông của các n−ớc trong khu vực và mạng viễn thông trên thế giới. 1.4 Phân loại hệ thống thông tin quang 1.4.1 Phân loại Các hệ thống thông tin quang hiện nay đ−ợc thiết kế và chế tạo nhằm truyền đ−a một khối l−ợng thông tin lớn trong một dải tần rộng. Trong dải băng tần đó có cả các tín hiệu dải rộng nh− tín hiệu truyền thanh chất l−ợng cao, tín hiệu truyền hình có độ phân dải cao Các hệ thống thông tin quang có thể đ−ợc phân chia theo một số các tiêu chuẩn khác nhau. 1.4.1.1 Phân theo dạng tín hiệu điện. Tuỳ theo tín hiệu điện đ−ợc đ−a vào điều biến với nguồn quang là tín hiệu t−ơng tự (analog) hay tín hiệu số (Digital) mà ta có hệ thống thông tin quang t−ơng tự hay hệ thống thông tin quang số. Với các hệ thống truyền dẫn quang t−ơng tự ít đ−ợc sử dụng và thiết kế để truyền dẫn băng tần tín hiệu rất rộng với nhiều nguyên nhân sau: ‐ Đặc tính không tuyến tính của các nguồn quang và phần tử thu quang. ‐ Đặc tính tán xạ của sợi quang Với các hệ thống thông tin quang số hiện nay đ−ợc sử dụng phổ biến thực hiện truyền dẫn các tín hiệu số d−ới dạng ghép kênh cơ sở điều chế Optical Fiber Communication 17
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn xung mã PCM theo các tiêu chuẩn ghép kênh cận đồng bộ PDH (Pleisynchronous Digital Hierarchy) và tiêu chuẩn ghép kênh đồng bộ số SDH (Synchronous Digital Hierarchy). 1.4.1.2 Phân loại theo ph−ơng pháp điều biến và giải điều tín hiệu quang Dựa trên các nguyên lý điều biến nguồn quang ở máy phát (Transmitter) và nguyên lý tách quang tại máy thu (Receiver), ng−ời ta chia làm hai loại hệ thống thông tin quang 1. Hệ thống điều chế c−ờng độ trực tiếp. Hệ thống này thực hiện điều biến trực tiếp tín hiệu điện vào c−ờng độ bức xạ của nguồn quang. Tại đầu thu tách ra tín hiệu điện trực tiếp trên các phần tử thu quang từ công suất quang thu đ−ợc từ sợi đ−a vào. Hệ thống điều chế c−ờng độ trực tiếp phục vụ rộng rãi trong mạng viễn thông từ những năm 1978, đầu tiên đ−ợc truyền trên các sợi đa mode với tốc độ thấp, sau đó do nhu cầu cần phải tăng tốc độ truyền dẫn và kéo dài cự ly khoảng lặp cho nên tiến tới sử dụng sợi quang đơn mode. Tuy nhiên các hệ thống sử dụng sợi đa modevẫn có hiệu lực tốt trong các tuyến nội hạt có cự ly khoảng lặp nhỏ. Những hệ thống truyền dẫn với tốc độ cực cao thì chúng bị hạn chế cả về độ nhạy, độ rộng băng tần, và cự ly khoảng lặp. Hiện nay hầu hết các hệ thống đang sử dụng trên mạng l−ới viễn thông đều sử dụng nguyên lý này. 2. Hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). Nguyên lý này sử dụng việc điều biến gián tiếp nguồn quang tại đầu phát: luồng tín hiệu điện và luồng ánh sáng đơn sắc đ−ợc đ−a vào điều biến trong bộ điều biến quang. Tại đầu thu cũng cần có một nguồn quang đơn sắc hoàn toàn độc lập với nguồn quang tại đầu phát. Luồng tín hiệu quang thu đ−ợc từ sợi quang cùng với luồng quang đơn sắc của bộ phát quang đ−a vào bộ trộn là một diode quang để đ−a ra một tần số trung gian sau đó đ−a đến mạch tách sóng quang để lấy ra tín hiệu điện ban đầu. 18 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Tín hiệu điện cần phát đ−ợc điều biến với nguồn phát quang có b−ớc sóng l1 t−ơng ứng với tần số quang f1 , ở đây ph−ơng thức điều biến có thể là ph−ơng thức điều biến biên độ, điều biến tần số hay điều biến pha. Tại đầu thu có bộ phát quang nội bức xạ ra ánh sáng có b−ớc sóng l0 t−ơng ứng với tần số quang nội f0 . Cả hai tín hiệu, tín hiệu thu f1 và tín hiệu quang nội f0 đ−ợc đ−a vào bộ trộn là một diode thu quang để lấy ra một tần số trung gian ờf1 ‐ f0 ờ. Tần số trung gian cần lớn khoảng 10GHz để đủ tải mang một tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn, song cũng không đ−ợc quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại của mạch điện tử. Để thu đ−ợc các tải tần phát khác nhau thì tần số quang nội f0 có thể điều chỉnh đ−ợc để giữ cho tần số trung gian không đổi. Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu đ−ợc tín hiệu điện ban đầu. Nguyên lý này gọi là nguyên lý thu ngoại sai Heterodyl. Hình 1‐6: Nguyên lý điều biến gián tiếp nguồn quang Tr−ờng hợp f1 = f0 khi này tần số trung gian bằng không và ở đầu ra có ngay tín hiệu điều biến ban đầu. nguyên lý này gọi là nguyên lý thu Homodyl. Xét về độ ổn định thì nguyên lý thu Homodyl thuận lợi hơn thu Heterodyl, ng−ời ta có thể truyền tín hiệu f1 ch−a điều biến trên một sợi quang riêng biệt để làm tần số quang nội do vậy bảo đảm f1 = f0 . So với ph−ơng pháp điều chế trực tiếp thì nguyên lý thu Coherent cho phép tăng đáng kể cự ly khoảng lặp và đạt đ−ợc giới hạn tối đa băng tần truyền dẫn của sợi quang. Tuy nhiên việc thiết kế chế tạo các thiết bị của hệ thống là vô cùng phức tạp. 1.4.1.3 Phân theo tốc độ và cự ly truyền dẫn. Khi này chủ yếu đề cập tới hệ thống thông tin quang đ−ờng dài. Các hệ thống thông tin quang đ−ờng dài chủ yếu đ−ợc sử dụng trên mạng viễn thông gồm các mạng kết nối truyền dẫn giữa các vùng, mạng trung Optical Fiber Communication 19
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và cả mạng phân phối truyền hình Mục đích của việc nghiên cứu thiết kế chế tạo của các hệ thống truyền dẫn cáp quang là tạo ra các hệ thống có dung l−ợng lớn, tốc độ truyền dẫn cao, khoảng lặp xa Trong các hệ thống đ−ờng dài của cáp quang thì cáp quang là phần tử quyết định giá cả. Để tăng cự ly khoảng lặp, giảm các thiết bị trung gian thì cần có cáp có tiêu hao nhỏ, các phần tử thu và phát quang có công suất phát lớn, độ nhạy cao và các bộ nối đắt tiền. Ng−ời ta phân chia một cách t−ơng đối nh− sau: 1. Hệ thống có dung l−ợng truyền dẫn nhỏ và trung bình, tốc độ thấp 2 Mbit/s, 8 Mbit/s, 34 Mbit/s đ−ợc sử dụng trên mạng thuê bao và mạng trung kế giữa các tổng đài với cự ly truyền dẫn ngắn vài Km trong mạng thành phố và từ 20 đến 30 Km ở mạng nông thôn không có khoảng lặp 2. Hệ thống có dung l−ợng lớn với tốc độ truyền dẫn 140 Mbit/s sử dụng trên mạng trung kế giữa các tổng đài có cự ly truyền dẫn từ 10 đến 30 Km không có trạm lặp 3. Các hệ thống liên tỉnh với dung l−ợng rất lớn tốc độ từ 140 Mbit/s trở lên, cự ly truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuối, trạm lặp có cự ly khoảng lặp từ 50 đến 100 Km 4. Các hệ thống xuyên quốc gia, xuyên lục địa với tốc độ và dung l−ợng cực lớn nối liền nhiều quốc gia với nhau. Tốc độ của các hệ thống này có thể từ 280, 420, 565, 2400 Mbit/s và cự ly trạm lặp có thể t− 50 đến 400 Km. Trong các hệ thống cự ly ngắn thì cáp quang không có vai trò quyết định giá cả mà ng−ợc lại là các bộ nối và các linh kiện thu phát quang. Tại đây có thể sử dụng các sợi quang đa mode SI, GI. Công suất quang cũng không cần lớn lắm nên có thể dùng các diode phát quang LED. Tốc độ truyền dẫn không cao nên diode thu quang có thể không cần các loại có độ nhạy cao và băng rộng, có thể dùng loại diode thu PIN. Xu h−ớng của các hệ thống thông tin quang cự ly ngắn là sử dụng hệ thống truyền dẫn tốc độ 34 Mbit/s và 140 Mbit/s với các sợi quang đơn mode. 20 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1.4.2 Phạm vi ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực thông tin các hệ thống truyền dẫn quang đ−ợc ứng dụng vào các tuyến trung kế giữa các tổng đài điện thoại, đ−ờng trục với dung l−ợng lớn và cự ly xa Trong mạng số dịch vụ tổng hợp truyền dẫn quang còn đ−ợc sử dụng vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫn các loại thông tin khác nh− âm thanh, hình ảnh, số liệu các loại Trong mạng truyền hình cáp, sợi quang đ−ợc sử dụng có hiệu quả thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian và cáp đồng trục Ngoài ra các hệ thống truyền dẫn quang cũng đ−ợc sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn để truyền các số liệu đo l−ờng, tín hiệu điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc tất cả các thông tin văn phòng trong phạm vi mạng Local Area Network (LAN). 1.5 Mô hình đặc tính của hệ thống Mục đích của mô hình đặc tính là để phân tích đặc tính của các thành phần và các kỹ thuật xử lý đã chọn phù hợp với mô hình này. ở đây cũng đ−a ra một số tham số đặc tr−ng đ−ợc xác định tại những giao tiếp khác nhau trong mô hình. Và không chỉ có các tham số đối với các kênh truyền dẫn số mà còn có các tham số đối với các kênh truyền dẫn t−ơng tự. Hai đặc tính điển hình của truyền dẫn t−ơng tự (Analog) là: ‐ Tỷ số tín hiệu/nhiễu: S/N ‐ Độ rộng băng tần: BW Hai đặc tính điển hình đối với hệ thống truyền dẫn số là: ‐ Xác xuất lỗi đối với tín hiệu đã tách ra hoặc tỷ số lỗi bit: BER ‐ Tốc độ truyền bit: BR Optical Fiber Communication 21
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Ngoài ra còn có một số tham số khác nh− độ tr−ợt (Jitter), méo sóng hài, sự giao thoa giữa các ký hiệu. 1.5.1 Các tham số điện quang. Khi xác định mối quan hệ giữa tín hiệu và nhiễu cũng nh− đo độ rộng băng tần có thể có sự khác nhau phụ thuộc vào vị trí đo ở phía điện hay phía quang. Giao tiếp quang là ở lớp đ−ờng quang, nghĩa là ở đầu ra của nguồn quang hoặc đầu vào của máy thu quang. 1. (S/N)e và (C/N)e: Là tỷ số tín hiệu/nhiễu và tỷ số sóng mang/nhiễu, đ−ợc xác định và đo tại phía điện của hệ thống. Đó chính là các tỷ số điện áp, dòng điện, công suất điện Còn đối với tham số BER của hệ thống truyền dẫn số luôn đ−ợc đo sau bộ tách sóng t−ơng đ−ơng với các tham số S/N. 2. Độ rộng băng tần điện (BW)e: Là khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín hiệu nh− hệ số khuếch đại điện, các tỷ số dòng điện, điện áp nằm trong một giới hạn xác định. Hiện nay ng−ời ta định nghĩa độ rộng băng tần ở 3 dB tại đó đáp ứng của tín hiệu sụt đến 0,707 so với giá trị của nó tại tần số f = 0. 3. (S/N) 0 và (C/N) 0 : Là tỷ số tín hiệu/nhiễu và tỷ số sóng mang/nhiễu đ−ợc đo và xác định tại các cổng quang của hệ thống. Nó chính là tỷ số công suất tín hiệu quang trung bình thu đ−ợc Pr trên công suất nhiễu quang t−ơng đ−ơng. 4. Độ rộng băng tần quang (BW) 0 : Đây là khoảng tần số ở đó mức công suất quang nằm trong giới hạn xác định. Th−ờng ng−ời ta sử dụng độ rộng băng tần quang ở mức sụt quang 3 dB, tại đó công suất quang giảm 50% so với giá trị tại tần f = 0. 1.5.2 Các tham số quang và tham số đ−ờng quang. 1. Công suất phát quang. 22 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Đây là công suất quang từ nguồn phát quang đ−ợc đ−a vào sợi quang và đ−ợc đo tại đầu ra của bộ ghép giữa nguồn quang và sợi cáp đuôi phía phát. Công suất đ−ợc biểu thị bằng công suất trung bình. Nếu gọi công suất phát của nguồn quang là Ps thì công suất phát quang Pt đ−ợc xác định nh− sau: Pt = Ps ‐ Li (1‐1) Trong đó Li là tổn hao quang từ nguồn quang tới sợi quang. 2. Công suất quang yêu cầu tối thiểu ‐ MRP. Nếu P r là công suất quang thu đ−ợc tại đầu ra của bộ nối máy thu (phía đ−ờng dây) thì MRP là công suất P r nào đó để đạt đ−ợc đặc tính xác định, chúng đ−ợc biểu thị bởi công suất trung bình hay công suất hiệu dụng (rms). Đặc tính của tuyến đ−ợc xác định bằng độ lệch công suất quang yêu cầu tối thiểu của máy thu theo công suất quang thu thực tế P r . Công suất đã tách đ−ợc P d và công suất đã tách đ−ợc yêu cầu tối thiểu MDP liên quan đến công suất tới của bộ tách quang. Mối liên quan giữa MRP và MDP nh− sau: MDP = MRP ‐ Ld (1‐2) Trong đó Ld là tổn hao từ đầu vào của bộ nối quang thu tới bộ tách quang. 3. Tổn hao quang Tổn hao quang trong tuyến là tổn hao của các bộ nối, các bộ ghép, các mối hàn và các tổn hao trong sợi quang gây ra nh− tổn hao do hấp thụ (hấp thụ của vật liệu, hấp thụ của tạp chất), sự không đồng nhất của chiết suất, sự không đồng đều tại biên giới lõi và vỏ, tổn hao cong và vi cong của sợi 4. Độ rộng băng tần của tuyến BW Độ rộng băng tần của tuyến phụ thuộc vào đô rộng băng của các phần tử quang điện và quang thụ động nh−: ‐ Độ rộng băng tần của sợi quang (BW)f Optical Fiber Communication 23
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn ‐ Độ rộng băng tần của nguồn quang và bộ kích thích (BW)s ‐ Độ rộng băng tần của bộ tách quang (BW)d 24 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Ch−ơng 2 Sợi quang Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin quang nào. Sợi quang không những đáp ứng đ−ợc yêu cầu về tốc độ, độ rộng băng tần và cự ly truyền dẫn mà nó còn có khả năng cung cấp một chất l−ợng truyền tín hiệu tuyệt hảo, với tính bảo mật thông tin rất cao. Trong ch−ơng này sẽ trình bày một số vấn đề để nhằm đạt tới một sự hiểu biết cơ bản về cấu trúc vật lý, đặc tính truyền dẫn ánh sáng, công nghệ chế tạo sợi quang cũng nh− cấu trúc cáp sợi quang và một số ph−ơng pháp đo các thông số của sợi quang. 2.1 Khái quát chung 2.1.1 Bản chất của ánh sáng Khái niệm liên quan tới bản chất của ánh sáng đã trải nhiều biến đổi trong suốt lịch sử phát triển của vật lý. Cho đến đầu thế kỷ thứ XVII, nói chung đều cho rằng ánh sáng bao gồm một luồng các phần rất nhỏ đ−ợc phát đi bởi một nguồn cực sáng. Những phần tử nhỏ này đ−ợc miêu tả nh− là một sự di chuyển theo đ−ờng thẳng và chúng có thể xuyên qua vật liệu trong suốt, nh−ng nó bị phản xạ từ những vật liệu mờ, không thấu quang. Lý luận này đ−ợc miêu tả một cách đầy đủ và chắc chắn nh− các hiện t−ợng phản xạ và khúc xạ, nh−ng thiếu sót khi giảng giải các hiện t−ợng giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng. Sự phân tích đúng đắn về hiện t−ợng nhiễu xạ đ−ợc Fresnel đ−a ra năm 1815, Fresnel đã trình bày rằng đặc tính truyền lan gần nh− theo đ−ờng thẳng của ánh sáng có thể giải thích bằng sự lan truyền nh− là sóng của ánh sáng, và viền tua của sự nhiễu xạ cũng đ−ợc giải thích một cách tỉ mỉ. Optical Fiber Communication 25
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Sau đó năm 1864 Maxwell đã lý luận rằng ánh sáng là sóng điện từ trong tự nhiên. Cao hơn nữa, sự quan sát tác động của sự phân cực đã chỉ ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang, có nghĩa là sóng di chuyển thẳng góc với h−ớng mà sóng chuyển dời. Đến cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX sau các phát minh về hiệu ứng quang điện ‐ là hiện t−ợng các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt kim loại khi chiếu lên đó một chùm ánh sáng có b−ớc sóng thích hợp. Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng trong các tr−ờng hợp này ánh sáng không còn mang tính chất sóng mà mang tính chất hạt. Nh− vậy cùng một đối t−ợng là ánh sáng, khi thì nó mang tính chất sóng, khi thì lại thể hiện tính chất hạt tuỳ theo từng hiện t−ợng vật lý cụ thể mà ta quan sát. Tính chất l−ỡng nguyên này của ánh sáng đ−ợc gọi là đối tính sóng và hạt. 2.1.1.1 Sóng điện từ. Trong phần này, chúng ta quan tâm đến ánh sáng với t− cách là các sóng điện từ. Hình vẽ 2‐1 minh hoạ một sóng điện từ. E(V/m) E(V/m) T l A A t(s) z(m) ‐A ‐A a) b) Hình 2‐1: Sóng điện từ trong không gian và thời gian Để đơn giản trong việc nghiên cứu, chúng ta hãy xem xét quá trình truyền của ánh sáng trong không gian tự do, chân không. Không khí sạch sẽ là một sự gần đúng rất tốt cho ví dụ này. Trong môi tr−ờng này, ánh sáng là các sóng điện từ nằm ngang (TEM). Thuật ngữ nằm ngang có nghĩa là cả hai vector ‐ vector điện tr−ờng E và vector từ tr−ờng H ‐ vuông góc với ph−ơng truyền sóng là trục z. 26 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2.1.1.2 Tia sáng (Beam hoặc Ray) Chúng ta đã biết rằng, ánh sáng có thể đ−ợc xem nh− là một tia sáng (ray). Chỉ cần nhìn vào ánh sáng phát ra từ đèn pha ôtô hoặc tia sáng màu đỏ phát ra từ một điểm sáng đơn giản Ví dụ rõ ràng nhất của hiện t−ợng này là ánh sáng đ−ợc phát ra từ một Laser Các tia sáng truyền bên trong các môi tr−ờng khác nhau tại các tốc độ khác nhau. Đặc tính mô tả tính chất này của một môi tr−ờng đ−ợc gọi là chiết suất hoặc là chỉ số khúc xạ (chiết suất). Vì vậy, nếu gọi n là vận tốc của ánh sáng trong môi tr−ờng truyền dẫn, và C là vận tốc ánh sáng trong chân không, thì chiết suất n có thể đ−ợc tính theo công thức: C n = (2‐1) u Các chiết suất của một số môi tr−ờng truyền dẫn đ−ợc cho trong bảng 2.1 Bảng 2‐1: Chiết suất của các môi tr−ờng truyền dẫn khác nhau Vật liệu Không khí N−ớc Thuỷ tinh Kim c−ơng Chiết suất 1.003 1.33 1.52 ‐ 1.89 2.42 2.1.1.3 Bản chất l−ợng tử của ánh sáng. Lý thuyết sóng của ánh sáng đ−ợc tính toán một cách đầy đủ đối với sự truyền dẫn của ánh sáng. Tuy nhiên trong đa số tr−ờng hợp khi nghiên cứu sự tác dụng lẫn nhau giữa ánh sáng và vật chất nh− trong tán xạ, trong việc phát và hấp thụ của ánh sáng thì lý thuyết sóng ánh sáng là không thích hợp. Để thay thế chúng ta phải quay lại lý thuyết l−ợng tử, thuyết này chỉ rõ rằng ánh sáng bức xạ thành các phần cực nhỏ. Bản chất của các phần tử nhỏ đó là luôn đ−ợc phát ra hoặc hấp thụ một cách không liên tục, đ−ợc gọi là các hạt l−ợng tử hay các phô tôn. Trong tất cả các thí nghiệm đ−ợc sử dụng để trình bày sự tồn tại của phô tôn, năng l−ợng của phô tôn đ−ợc tìm thấy phụ thuộc duy nhất vào tần số f. Mối quan hệ giữa năng l−ợng E và tần số f của phô tôn đ−ợc cho bởi: E = h.f (2‐2) Optical Fiber Communication 27
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Với h = 0,625.10 ‐34 Js là hằng số Plank. Khi chiếu ánh sáng là ánh sáng ngẫu nhiên vào một nguyên tử, photon có thể truyền năng l−ợng của nó cho điện tử trong nguyên tử này và kích thích nó chuyển lên mức năng l−ợng cao hơn. Trong quá trình này hoặc là tất cả hoặc là không có năng l−ợng của photon đ−ợc truyền cho điện tử. Năng l−ợng đ−ợc điện tử hấp thụ yêu cầu phải đ−ợc cân bằng một cách chính xác với một mức năng l−ợng cao hơn. Ng−ợc lại một điện tử ở trạng thái kích thích có thể nhảy xuống trạng thái có mức năng l−ợng thấp hơn không liên quan tới nó và trong quá trình này nó bức xạ ra một phô tôn có năng l−ợng chính xác bằng h.f 2.1.2 Các đại l−ợng đặc tr−ng cơ bản của sóng ánh sáng. 2.1.2.1 Dải phổ bức xạ Dải phổ bức xạ là đặc tr−ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ, nó đ−ợc thể hiện bởi hai đại l−ợng tần số và b−ớc sóng. Giữa 2 đại l−ợng này có mối quan hệ: l = C/f [m] (2‐3) f = C/l [Hz] (2‐4) Với C = 300000 Km/s là vận tốc ánh sáng lan truyền trong không gian tự do. Các bức xạ điện từ gồm các sóng vô tuyến, các bức xạ quang, tia Rơnghen, tia Gama, tia cực tím với một dải phổ rất rộng có b−ớc sóng từ 10 ‐14 m đến 10 ‐6 m. Trong đó các bức xạ quang học chỉ chiếm một dải phổ rất hẹp với dải b−ớc sóng từ 100nm đến 1mm, t−ơng đ−ơng với dải tần số từ 5.10 11 Hz đến 5.101 5 Hz. 2.1.2.2 Các loại phổ bức xạ Phổ bức xạ đặc tr−ng cho các nguồn bức xạ quang, và với mỗi loại nguồn quang khác nhau có phổ bức xạ khác nhau. Thông th−ờng ng−ời ta chia làm 3 loại phổ khác nhau đó là phổ liên tục, phổ vạch, phổ hấp thụ. Trong thông tin sợi quang th−ờng sử dụng các nguồn quang bức xạ ánh sáng có phổ liên tục và phổ vạch. 28 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2.1.2.3 Đặc tính không kết hợp. Các nguồn quang thông th−ờng bức xạ ra ánh sáng không có tính kết hợp. Khi nguồn quang hoạt động, từng nguyên tử riêng rẽ sẽ bức xạ ngẫu nhiên các xung ánh sáng có một dao động riêng. Các xung này tồn tại trong một thời gian ngắn chừng 10 ‐8s và dịch chuyển với quãng đ−ờng chừng vài mét, sau đó các nguyên tử này ngừng bức xạ trong một thời gian dài. Trong thời gian đó các nguyên tử khác cũng chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn, nh−ng nhờ xếp chồng các xung này mà có một luồng ánh sáng liên tục bức xạ ra ngoài. Do các nguyên tử bức xạ ra ánh sáng ngẫu nhiên, nên pha của ánh sáng bức xạ là biến đổi ngẫu nhiên, và biến đổi rất nhanh. Vì thế các nguồn sáng tự nhiên không giao thoa đ−ợc với nhau trong thời gian dài. Đặc tính này của ánh sáng tự nhiên đ−ợc gọi là đặc tính không kết hợp. 2.1.3 Nguyên lý cơ bản truyền ánh sáng. Nguyên lý cơ bản của truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện t−ợng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi tr−ờng, khi nó đi từ môi tr−ờng có chiết suất lớn hơn sang môi tr−ờng có chiết suất nhỏ hơn. Xét ví dụ: Cho một tia sáng đi từ môi tr−ờng có chiết suất n1 sang môi tr−ờng thứ hai có chiết suất n2 (n2 <n 1 ), tia tới tia1 hợp với pháp tuyến p của mặt phân cách hai môi tr−ờng một góc a, khi sang môi tr−ờng thứ 2 tia sáng bị khức xạ và hợp với pháp tuyến p một góc b. Quan hệ giữa các góc a và b với các chiết suất n1 n2 tuân theo định luật khúc xạ của Snelions: n1 sina =n2 sin b (2‐5) Khi tia đạt tới góc aT (tia 2)thì nó không đi vào môi tr−ờng thứ 2 nữa mà lại bị khúc xạ song song với mặt phân cách góc khúc xạ là b=90 0 . Theo ph−ơng trình trên ta có: sinaT = n2 /n1 . (2‐6) Optical Fiber Communication 29
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Bây giờ cho tia tới với góc a>aT thì tia bị phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi tr−ờng n1 do đó ng−ời ta gọi aT là góc tới hạn, độ lớn cuả góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất của 2 môi tr−ờng. Hình 2‐2: Hiện t−ợng phản xạ và khúc xạ (a) hiện t−ợng phản xạ toàn phần (b) Muốn phản xạ toàn phần cần có 2 điều kiện sau: + Chiết suất n1 >n 2 + Góc tới lớn hơn góc tới hạn aT Các định luật phản xạ và khúc xạ là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang. Trong sợi dẫn quang các tín hiệu ánh sáng đ−ợc truyền dựa vào hiện t−ợng phản xạ toàn phần bên trong. 2.2 Cấu trúc cơ bản của sợi quang 2.2.1 Cấu tạo sợi quang Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) dẫn quang có chiết suất n1 đ−ờng kính là dk =2a và lớp vỏ (cladding) cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột có chiết suất là n2 có đ−ờng kính là dm. Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh. Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. 30 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Hình 2‐3: Cấu trúc sợi quang Với n1 , n2 , a, dm đ−ợc gọi là tham số cấu trúc, chúng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Độ lệch chiết suất là: Dn= n1 ‐ n2 . (2‐7) Độ lệch chiết suất t−ơng đối: 2 2 D n n 1 - n 2 n 1 - n 2 D = = ằ 2 (2‐8) n 1 n 1 2 n 1 Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang còn đ−ợc bọc thêm một vài lớp nữa: ‐ Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating) ‐ Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating) Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang: ‐ Chống lại sự xâm nhập của hơi n−ớc. ‐ Tránh sự trầy s−ớt gây nên những vết nứt ‐ Giảm ảnh h−ởng vì uốn cong ‐ Tăng độ mềm uốn cơ học của sợi quang Lớp phủ đ−ợc bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong Optical Fiber Communication 31
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp phủ có thể đ−ợc nhuộm mầu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ. Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh h−ởng đến chất l−ợng của sợi quang. Lớp vỏ có tác dụng tăng c−ờng sức chịu đựng của sợi quang tr−ớc các tác dụng cơ học và sự thay đổỉ nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau: ‐ Dạng ống đệm lỏng (Loose buffer) ‐ Dạng đệm khít (tight buffer) ‐ Dạng băng dẹt (Ribbon) Mỗi dạng có những −u nh−ợc diểm khác nhau do đó đ−ợc sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. 2.2.2 Phân loại sợi quang Tuỳ theo yêu cầu sử dụng khác nhau mà sợi quang đ−ơc sản xuất theo các kỹ thuật khác nhau với các đặc tính khác nhau.Trên cơ sở này mà sợi quang đ−ợc phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ nh− theo vật liệu chế tạo sợi quang, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi sợi Trong thực tế ng−ời ta th−ờng chia sợi quang thành những loại sau: ư Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI‐MM (Step Index‐Multi mode) ư Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI‐MM (Grandien Index‐ Multi Mode) ư Sợi đơn mode SI‐ SM (Step Index – Single Mode) 2.2.2.1 Phân loại theo vật liệu điện môi ở vật liệu điện môi thì có 3 loại sợi: 32 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Loại sợi bao gồm phần lớn thuỷ tinh thạch anh: nó không chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO 2 ) mà còn có các tạp chất thêm vào nh− Ge, B, và F để làm thay đổi chiết suất khúc xạ. Bảng 2‐2: Liệt kê các kiểu phân loại sợi quang Phân loại theo vật ‐ Sợi quang thạch anh liệu điện môi ‐ Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu ‐ Sợi quang bằng nhựa tổng hợp Phân loại theo ‐ Sợi quang đơn mode(single mode‐SM) mode lan truyền ‐ Sợi quang đa mode (multi mode‐MM) Phân loại theo phân ‐ Sợi quang chiết suất nhảy bậc (step index‐SI) bố chiết suất khúc ‐ Sợi quang chiết suất biến đổi (grandien Index‐ xạ trong sợi quang GI) Loại sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là soda lime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh boro_silicat v.v Loại sợi quang thuỷ tinh thạch anh đ−ợc sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. 2.2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ Các sợi quang có thể tạm phân loại thành 2 nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Một loại gọi là sợi quang chiết suất phân bậc (SI). Loại thứ hai gọi là sợi quang chiết suất biến đổi (GI) . Loại sợi quang SI: Nói chung chỉ dùng để chỉ sợi quang đa mode mà nó có chiết suất thay đổi một cách rõ ràng giữa lõi và vỏ. Loại sợi quang GI: Sợi quang đ−ợc làm theo cấu trúc đặc biệt để truyền ánh sáng nhiều mode. Chiết suất khúc xạ của lõi biến đổi một cách dần dần theo h−ớng đ−ờng kính sợi. Hay ánh sáng ở mode cao hơn Optical Fiber Communication 33
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu nh− lan truyền trong phần lõi có chiết suất phản xạ thấp. 2.2.2.3 Phân loại theo mode lan truyền Căn cứ vào số Mode truyền dẫn trong sợi, tất cả các sợi quang đ−ợc nhóm thành hai nhóm: Loại sợi đa Mode: Là loại sợi chiết suất phân bậc, có đ−ờng kính lõi vào khoảng 100 200mm và sợi chiết suất Gradiant với đ−ờng kính lõi sợi vào khoảng 50mm và 62.5mm. Hiện tại sợi quang đa Mode vẫn đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng nh− thiết bị, hoặc dùng làm cáp cho mạng LAN (Local Area Network). Ưu điểm của loại sợi này nh− đã nghiên cứu ở trên là khẩu độ số lớn thuận tiện cho truyền dẫn nhiều băng tần truyền dẫn. Và nh− vậy sẽ làm đơn giản các thiết bị và phát huy lợi nhuận tối đa. Tuy nhiên, do sự trễ về thời gian giữa các Mode truyền dẫn, xung ánh sáng sẽ lan rộng t−ơng ứng khi độ dài sợi tăng, Và sẽ gây ra giới hạn về băng tần truyền dẫn. Loại sợi Đơn Mode: Trong sợi đơn Mode, đ−ờng kính lõi sợi sẽ đ−ợc giảm nhỏ cho đến khi chỉ có duy nhất một Mode truyền trên sợi quang. Kích th−ớc vật lý của sợi đơn Mode vào khoảng d−ới 10mm, đây cũng là kích th−ớc để một Mode truyền trong nó đ−ợc bảo đảm là tối −u. Tuy nhiên cần phải chú ý rằng sợi đơn Mode sẽ là sợi đơn Mode khi và chỉ khi b−ớc sóng của xung ánh sáng l lớn hơn lc với: 2p a l = n 2 - n 2 là b−ớc sóng cắt (cutoff wavelength) c 2. 405 1 2 1. Sợi có tán sắc không Zezo dịch chuyển (Non‐Zezo dispersion shifted fibers NZ‐DSF) Sợi đơn Mode hiện nay không nhất thiết cần phải có chỉ số chiết suất bậc. Thay đổi chỉ số chiết suất của sợi trong một quá trình công nghệ tinh vi phức tạp, các đặc tính truyền dẫn của sợi có thể thay đổi rõ rệt. Thay đổi chỉ số chiết suất khúc xạ sẽ ảnh h−ởng chủ yếu đến tán sắc ống 34 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn dẫn sóng (Waveguide dispersions) một phần của tán xạ mầu sắc (Chromatic dispersion) mà ta sẽ nghiên cứu sau. Thông th−ờng, các sợi đơn Mode d−ới đây sẽ có tán xạ mầu sắc bằng không. Kiểu Sợi SợChiếi quat ngsuấ đat b Moậc de Chiết suất Gradiant SợChiếi đơtn s Mouấtde bậc n n n n n n Mặt cắt chỉ số khúc xạ n a n a n a 50 200m 50 hay 8 10mm m 62.5mm Độ lớn hình học 125 200m 125mm 125mm mm Sự lan truyền ánh sáng Chỉ số khúc xạ n 1 ằ 1.527, n 2 ằ1.517 n 1 ằ 1.562, n 2 ằ1.54 n1 ằ 1.471, n2 ằ1.457 Khẩu độ số 0.2 đến 0.4 0.14 đến 0.3 0.1 đến 0.14 Băng tần ằ 30MHz ằ 1GHz ằ 10GHz Phân loại sơi quang theo Mode truyền dẫn Hình 2‐4: Các kiểu sợi quang 2. Sợi đơn Mode thông th−ờng (Standard Single Mode Fiber – SSMF, theo khuyến nghị G650, G652) . Loại sợi này đ−ợc chế tạo để có tán xạ mầu sắc bằng không tại b−ớc sóng 1300nm ví dụ đối với các sợi quang do Alcatel chế tạo thì đây là sợi ASMF 200. 3. Sợi đơn Mode có tán sắc dịch chuyển (Dispersion Shifted Fiber DSF, theo khuyến nghị G655). Optical Fiber Communication 35
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Đối với loại sợi này, tán sắc ống dẫn sóng sẽ đ−ợc thay đổi trên đ−ờng đị của tia sáng để có tán xạ mầu sắc bằng không tại b−ớc sóng 1550nm. 4. Sợi đơn Mode có tán sắc không Zero dịch chuyển (Non‐Zero Dispersion Shifted Fiber NZ‐DSF, theo khuyến nghị G655). Về cơ bản, nguyên lý truyền dẫn của loại sợi này cũng giống nh− sợi DSF. Nh−ng tán xạ mầu sắc sẽ không bằng không tại b−ớc sóng 1550nm. Nó sẽ có tán xạ mầu sắc bằng không tại b−ớc sóng < 1440nm. Trong sợi do Alcatel chế tạo đây là sợi TeraLight TM. Ngày nay, trong sự tiến bộ v−ợt bậc của khả năng truyền dẫn và sự xuất hiện của công nghệ ghép kênh quang theo b−ớc sóng mới (Ghép kênh quang theo b−ớc sóng với mật độ dày ‐ Dense Wavelength Division Multiplexing‐ DWDM). Thì chỉ có hai trong số các sợi quang kể trên có thể đ−ợc lựa chọn. Hoặc sợi đơn Mode thông th−ờng phối hợp với sợi bù tán sắc (Dispersion Compensation Fiber‐ DCF), hoặc là sợi có tán sắc không zezo dịch chuyển NZ‐DSF có thể đ−ợc chọn. Bởi các thông số cơ bản của chúng có hiệu quả trong một vùng lớn cả điểm tán xạ mầu và vùng xung quanh tán xạ này. Cả hai giải pháp này đều phù hợp cho công nghệ ghép kênh quang DWDM với khoảng cách giữa các kênh ghép là rất nhỏ với tốc độ truyền dẫn lớn trong một đ−ờng truyền rất dài. 2.2.3 Vật liệu chế tạo sợi quang Phần trên ta đã nghiên cứu cơ bản về cấu trúc sợi dẫn quang, nhìn chung chúng có cấu tạo gồm lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi quang dài và rất mảnh. Do yêu cầu truyền tín hiệu cho cự ly xa và tốc độ lớn nên chúng phải đ−ợc cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng. Nh− vậy, trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo sợi quang, Vật liệu đó cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: + Đảm bảo tạo đ−ợc các sợi quang dài, mảnh và mềm dẻo. 36 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn + Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các b−ớc sóng làm việc thông dụng (1300,1550nm) tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao. + Các vật liệu chế tạo ra lõi, vỏ của sợi phải có bản chất vật lý t−ơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ là khá nhỏ. Tổng hợp các yêu cầu trên, ng−ời ta thấy rằng trong tất cả các loại vật liệu từ tr−ớc đến bây giờ con ng−ời đã tạo đ−ợc, Thuỷ tinh và chất dẻo trong suốt là vật liệu phù hợp nhất. Các loại sợi đ−ợc chế tạo có lõi là thuỷ tinh có suy hao lớn thì dùng cho các tuyến truyền dẫn có cự ly ngắn, tốc độ thấp còn sợi chế tạo từ thuỷ tinh có suy hao nhỏ thì dùng rộng rãi trong các tuyến có cự ly xa, tốc độ cao và các hệ thống thông tin quang tiên tiến. Các loại sợi bằng chất dẻo ít đ−ợc sử dụng vì có suy hao lớn hơn thuỷ tinh, nó chỉ dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi có tác động cơ học mạnh, nơi mà yếu tố chất l−ợng truyền dẫn không phải đặt lên hàng đầu. 2.2.3.1 Sợi thuỷ tinh Thuỷ tinh đ−ợc tạo từ các hỗn hợp Oxit kim loại nóng chảy, Sulfide hoặc Selenide. Chúng tạo ra một vật liệu có cấu trúc một mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thuỷ tinh oxit. Trong đó Dioxit Silic (SiO2 ) là loại oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi. Nó có chỉ số chiết suất tại b−ớc sóng 850nm là 1,458. Để tạo ra hai loại vật liệu gần giống nhau làm lõi và vỏ phản xạ của sợi, nghĩa là chỉ số chiết suất hơi lệch nhau, ng−ời ta phải thêm vào hàm l−ợng Flo và các oxit khác nhau nh− B 2 O 3 , GeO 2 và P 2 O 5 . Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thì thêm P 2 O5 và GeO 2 vào SiO2 còn nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thì thêm B 2 O 3 vào. ở sợi dẫn quang có chiết suất lõi lớn hơn vỏ (đảm bảo phản xạ toàn phần). Vậy ta có thể thấy đ−ợc hỗn hợp vật liệu tạo ra các sợi nh− sau: + Sợi có lõi GeO 2 ‐ SiO2 và vỏ phản xạ SiO 2 + Sợi có lõi P2 O 5 ‐ SiO 2 và vỏ phản xạ SiO2 + Sợi có lõi B2 O 3 ‐ GeO 2 ‐ SiO2 và vỏ phản xạ B 2 O 3 ‐ SiO2 + Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2 O 3 ‐ SiO2 Optical Fiber Communication 37
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Trong thực tế vật liệu thô của SiO2 chính là cát, một nguồn tài nguyên sẵn có và vô tận. Thuỷ tinh chế từ SiO2 có đặc điểm quan trọng là biến dạng tại nhiệt độ khoảng 1000 0C, rất ít bị nở khi nhiệt độ tăng, tính bền vững hoá học cao. Rất trong suốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy (vùng hồng ngoại) do vậy rất thích hợp cho thông tin quang sợi. Tuy nhiên chúng có nh−ợc điểm là cần công nghệ cao để chế tạo. 2.2.3.2 Sợi thuỷ tinh Halogen Năm 1975, các nhà nghiên cứu tại tr−ờng đại học tổng hợp Rennes đã phát minh ra loại thuỷ tinh Fluoride có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng b−ớc sóng giữa hồng ngoại (200 á8000nm), và suy hao thấp nhất ở vào khoảng quanh b−ớc sóng 2250nm. Thuỷ tinh Fluoride là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoàn đó là Flo, Clo, Brom, Iot. Trong quá trình nghỉên cứu, các nhà khoa học đã tập trung vào phân tích các vật liệu thuỷ tinh Fluoride kim loại nặng trong đó chủ yếu chứa các thành phần ZrF4 . Để hoàn chỉnh ng−ời ta còn thêm vào các vật liệu có tính chất kết tinh. Trong tất cả các loại này, hứa hẹn nhất là sợi có cấu trúc từ ZrF 4 – BaF2 – LaF3 – AlF3 – NaF gọi là sợi ZBLAN. Loại sợi thuỷ tinh Fluoride có suy hao rất nhỏ cỡ khoảng10 ‐2dB/K m á 10 ‐3dB/K m tạo ra một tiềm năng lớn cho ngành thông tin quang. Tuy nhiên vẫn có hạn chế nh− công nghệ chế tạo và độ dài sợi. 2.2.3.3 Sợi thuỷ tinh tích cực Những kết quả nghiên cứu của những nhà khoa học về sợi dẫn quang cho ra các đặc tính từ và quang mới là việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thuỷ tinh thụ động bình th−ờng. Đặc tính này cho phép các sợi thuỷ tinh có thể khuếch đại, suy hao và làm trễ pha tín hiệu ánh sáng trong truyền dẫn quang, quá trình pha tạp ở đây có thể tiến hành ở cả sợi Silic lẫn sợi Halogen. 38 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2.2.3.4 Các loại sợi vỏ chất dẻo Phần trên ta đã xem xét cấu tạo của các loại sợi có vỏ và lõi đều là thuỷ tinh những sợi này là yếu tố quan trọng trong những tuyến thông tin quang cự ly dài và tốc độ lớn. Đối với những cự ly ngắn (vài trăm mét) ng−ời ta sử dụng các loại sợi có vỏ chất dẻo nhằm giảm chi phí, vì cự ly này cho phép sử dụng các loại sợi có suy hao lớn. Sợi này còn đ−ợc gọi là sợi thuỷ tinh vỏ chất dẻo PCS (Plastic – Clad‐ Silica), vỏ th−ờng chế tạo từ hợp chất polimer có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi SiO2 . Giá trị chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại b−ớc sóng 850nm, nhựa Silicon sẽ thoả mãn không những thế nhựa Silicon còn tham gia tạo vỏ bảo vệ sợi quang. Thông th−ờng sợi thuỷ tinh vỏ phản xạ là chất dẻo là loại chỉ tồn tại ở dạng sợi có chiết suất phân bậc, chúng lại có đ−ờng kính lõi khá lớn (150á600mm). Sợi này có khẩu độ số khá lớn nên cho phép sử dụng với nguồn quang có góc phát xạ lớn. Vì thế cho phép giảm giá thành hệ thống một cách đáng kể. 2.2.3.5 Sợi Chất dẻo Là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và vỏ phản xạ đều bằng chất dẻo. loại sợi này chỉ đáp ứng đ−ợc cự ly truyền dẫn không quá 100m vì suy hao rất lớn. Sợi này ngày nay hầu nh− không đ−ợc sử dụng. 2.3 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang Sợi quang không phải là một kênh truyền lí tuởng. Do chịu ảnh h−ởng của các qui luật lan truyền sóng ánh sáng trong các sợi dẫn sóng điện môi, nên ánh sáng lan truyền bị suy giảm dần, và tín hiệu ánh sáng bị biến dạng. Có hai ph−ơng pháp để nghiên cứu về quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang đó là ph−ơng pháp quang hình học (Geometrical‐ Opticals‐Description). Ưu điểm của ph−ơng pháp này là đơn giản, trực Optical Fiber Communication 39
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn quan dễ hiều. Ph−ơng pháp thứ hai là ph−ơng pháp quang học sóng (Wave Propagation). Ph−ơng pháp này sẽ cho ta hiểu một cách sâu sắc hơn về quá trình truyến sóng ánh sáng trong sợi quang. Và sau đây chúng ta sẽ lần l−ợt xem xét hai ph−ơng pháp trên. 2.3.1 Ph−ơng pháp quang hình học (Geometrical‐Opticals‐ Description) Tuy rằng ph−ơng pháp này chỉ mang tính chất gần đúng nh−ng −u điểm của nó là cung cấp cho chúng ta một hình ảnh tổng quát, mà không phải ứng dụng các ph−ơng pháp toán học phức tạp. 2.3.1.1 Trong sợi quang có chỉ số chiết suất nhảy bậc (Step‐Index Fibers) Chiết suất của vỏ n2 nhỏ hơn chiết suất của ruột n một khoảng 1%. Ta xem xét các tia sáng lan truyền trong một mặt phẳng nh− trên hình 2‐5. Các tia sáng từ nguồn bức xạ đ−a vào sợi quang phải đi qua môi tr−ờng không khí có chiết suất n K=1, rồi vào ruột sợi có chiết suất n1 lớn hơn nK . vì thế khi đi qua mặt cắt đầu sợi các tia sẽ bị khúc xạ. Chùm ánh sáng đi vào sợi là vô số tia với các góc tới q khác nhau. Trong sợi có một tia chạy song song với trục quang của sợi (tia 1), và nhiều tia khác tạo với trục quang một góc nghiêng aA . khi tới mặt phân cách vỏ‐ ruột các tia này tạo với pháp tuyến của mặt phân cách một góc tới aT thoả mãn điều kiện: , 0 a T = 90 ‐ aA (2‐9) Hình 2‐5: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI 40 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Để các tia này lan truyền đ−ợc trong sợi đến đầu cuối sợi thì tại mặt phân cách vỏ – ruột phải thoả mãn điều kiện về phản xạ toàn phần. Góc tới hạn để có phản xạ toàn phần là aT đ−ợc tính theo (2‐9) n 2 sin a T = (2‐10) n 1 n ổ D n ử 2 ỗ ữ Từ đó ta có: aT = arcsin = arcsin ỗ1 - ữ (2‐11) n 1 ố n 1 ứ , Các tia muốn đựơc lan truyền phải có góc tới a T > a T . Các tia đ−ợc phản xạ sẽ đi qua tâm sợi đến phía đối diện, tại đó lại đ−ợc phản xạ toàn phần ng−ợc lại. Cứ nh− vậy các tia chạy theo đ−ờng dích dắc đến cuối sợi. Tuơng ứng với góc tới hạn aT có góc nghiêng lớn nhất cho phép của các tia so với trục quang là aAm ax : 0 aA max = 90 ‐ aT (2‐12) Các tia sáng muốn lan truyền còn thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần thì phải có góc nghiêng aA thoả mãn điều kiện: 0 ≤ a A ≤ a A max (2‐13) Mặt khác aA là góc khúc xạ của các tia sáng đi từ không khí qua tiết diện mặt cắt vào trong ruột sợi. Góc aA max là góc khúc xạ lớn nhất cho phép để còn thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt phân cách vỏ ruột sợi. T−ơng ứng với aA max là góc tới lớn nhất cho phép θ max , là góc hợp bởi tia từ nguồn sáng qua không khí đến mặt cắt sợi và pháp tuyến mặt cắt, trùng với trục quang của sợi. Theo công thức khúc xạ ta có: nK s inθmax = n1 sinaA max (2‐14) Do không khí có n K =1 nên: sinθmax = n 1 sinaAm ax = n 1 cosaT 2 1/2 sinθmax = n 1 (1‐ sin aT ) Với n2 ≈ n1 tính gần đúng ta có: 2 2 1/2 1/2 sinθmax = (n1 ‐n2 ) = n1 (2D) (2‐15) trong đó: D = (n1 ‐n2 )/n1 là độ lệch chiết suất t−ơng đối của sợi. Để đặc tr−ng cho khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi ng−ời ta định nghĩa một đại l−ợng đặc tr−ng cho sợi là khẩu độ số (độ mở) NA: Optical Fiber Communication 41
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1/2 NA= sinθmax = n1 (2D) (2‐16) Với mỗi loại sợi đ−ợc chế tạo, giá trị cho tr−ớc của khẩu độ số NA cho biết khả năng truyền dẫn của sợi Nh− trên chúng ta đã thấy, các tia chạy với các đ−ờng dích dắc khác nhau đến cuối sợi, sẽ có độ dài quãng đ−ờng khác nhau, cho nên t−ng tia sáng thành phần có thời gian lan truyền đến cuối sợi là khác nhau, bởi vì trong ruột sợi có chiết suốt n1 = const nên vận tốc lan truyền của các tia là nh− nhau và bằng: v = c/n 1 =const Tia chạy song song với trục t−ơng ứng với tia có góc θi =0 có đoạn đ−ờng ngắn nhất, nên cần thời gian là ít nhất, còn tia đạt tới giới hạn phản xạ toàn phần t−ơng ứng với tia có góc 0 < θi < θmax thì đ−ờng đi có độ dài là L/sinaT và thời gian truyền của các tia này là dài hơn. Độ lệch thời gian lớn nhất giữa hai tia đ−ợc tính theo: n ổ L ử L n 2 1 ỗ ữ 1 DT max = T max - T min = ỗ ữ = D (2‐17) c ố sin a T ứ c n 2 Do đó độ lệch thời gian lớn nhất trên một km sợi là: DT D n 2 max = 1 L c n 2 Từ biểu thức (2‐16) ta có: DT AN 2 max = (2‐18) L 2cn 2 Theo (2‐18), độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỉ lệ thuận với khẩu độ số NA, cho nên với sợi SI có góc mở lớn thì có độ lệch thời gian lớn. Do vậy nó cũng là một nguyên nhân làm hạn chế độ rộng băng thông và tốc độ truyền dẫn. Nên tuỳ vào yêu cầu thực tế mà ta lựa chọn NA cho thích hợp. Chúng ta có thể hiểu độ lệch thời gian DT có thể hạn chế dung l−ợng dung l−ợng thông tin trên sợi quang thông qua mối quan hệ giữa DT và tốc độ bit B. chẳng hạn khi ta xét hình dạng của các xung, thì muốn 42 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn đảm bảo đ−ợc chất l−ợng truyền dẫn thì DT phải nhỏ hơn độ rộng của một xung là TB (T B =1/B) Do vậy mà: DTB<1 (2‐19) Thay biểu thức (2‐17) vào (2‐19) ta có: n 2 c BL ỏ 2 (2‐20) n 1 D Ta thấy tích số độ rộng băng và cự li truyền dẫn (BL), nó thể hiện đ−ợc năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có độ lệch thời gian giữa các tia sáng truyền trong nó. Điều kiện (2‐20) cho phép chúng ta tính đ−ợc một cách sơ bộ giới hạn cơ bản của sợi quang có chỉ số chiết suất nhảy bậc. Ví dụ với loại sợi có n1 =1,5 và n 2 =1 thì tích số băng thông và cự li truyền dẫn của sợi quang này là t−ơng đối nhỏ BL <0,4 (Mbit/sưKm). Do vậyhầu hết các loại sợi quang ứng dụng trong viễn thông đều có D <1%. ví dụ nh− muốn có BL <100 Mbit/s‐Km thì D = 2 x10‐ 3 , những sợi nh− vậy có thể truyền dữ liệu ở tốc độ bit 10 Mbit/s qua một khoảng cách lên tới 10 Km. Khi nghiên cứu giá trị tích số băng thông và cự li truyền dẫn (2‐20), có hai điểm đáng chú ý. Thứ nhất: giá trị này chỉ có thể đạt đ−ợc nếu chúng ta chỉ xem xét những tia xuyên qua tâm sợi sau mỗi lần phản xạ bên trong. Những tia nh− vậy gọi là tia kinh tuyến. Ngoài ra con các tia nghiêng lan truyền trong sợi. Các tia nay là tia không đi qua trục sợi, và qua phản xạ nhiều lần chúng có xu h−ớng tiến gần đến một hình tròn giới hạn ở quanh tâm sợi. Và cũng không nằm trên một mặt phẳng nh− các tia kinh tuyến, chúng dễ bị suy hao do uốn cong. Thứ hai: do sự tán xạ trong sợi quang nên các tia kinh tuyến đi chếch so với trục quang của sợi cũng bị suy hao lớn hơn các tia kinh tuyến đi dọc bên trục quang. Optical Fiber Communication 43
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Nh− vậy biểu thức giới hạn (2‐20) chỉ mang tính chất t−ơng đối. Các ảnh h−ởng của tán xạ sẽ đ−ợc giảm một cách đáng kể khi chúng ta dùng sợi có chỉ số chiết suất biến đổi. Và nó có thể bị triệt tiêu khi chúng ta dùng sợi đơn mode. 2.3.1.2 Trong sợi quang có chiết suất biến đổi (Graded‐ Index Fiber) Đặc điểm của sợi là chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo bán kính, còn trong vỏ thì chiết suất không đổi. Trong ruột sợi chiết suất giảm dần từ giá trị lớn nhất n0 ở tâm sợi cho đến giá trị nhỏ nhất bằng n2 tại mặt phân cách vỏ – ruột, và là một hàm số của bán kính r hoặc tỷ số r/a. Có thể viết biểu thức của sự biến thiên của chiết suất nh− sau: 1/2 n(r/a) = n0 [1‐ 2Df (n/a)] (r/a ≤1) (2‐21) 1/2 n(r/a) = n0 [1‐2D] = n2 (r/a ≥1) (2‐22) 2 2 n1 - n 2 với: D = 2 là độ lệch chiết suất tuyệt đối (2‐23) n 1 Hàm số f(r/a) là thể hiện sự biến thiên của chiết suất khi bán kính sợi (xét trên mặt cắt ngang) biến thiên, do đó đ−ợc gọi là hàm số mặt cắt. Hàm số mặt cắt f(r/a) phải thoả mãn điều kiện: 0 ≤ f (r / a ) ≤ 1 (2‐24) Thực tế hàm f(r/a) biến thiên theo quy luật của một hàm mũ. f (r / a ) = (r / a ) g (2‐25) và g đ−ợc gọi là tham số mặt cắt. Sợi GI có tham số g thoả mãn điều kiện 1 ≤ g ≤ 3 thì có độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất, đặc biệt với g ≈ 2. Do vậy, các sợi quang GI sử dụng trong viễn thông đều đ−ợc chọn là sợi có g = 2. Lúc này hàm f(r/a) biến thiên theo hàm số parabol, nên đôi khi còn gọi sợi GI có g = 2 là sợi có chiết suất parabol. Do chiết suất trong ruột sợi biến thiên, nên vận tốc truyền ánh sáng trong ruột sợi không phải là hằng số mà cũng là một hàm biến thiên theo bán kính r. V = c/n 1 = c/n 1(r) = v(r) (2‐26) 44 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Hình 2‐6: ảnh h−ởng của tham số mặt cắt tới tán xạ và tích số BL Vì vậy, trừ tia song song với trục, các tia còn lại tia nào càng đi xa trục chiết suất càng giảm, thì sẽ có vận tốc lan truyền lớn hơn, thay vì chạy theo các đ−ờng dích dắc nh− trong sợi SI thì ở sợi GI này các tia chạy theo các đ−ờng có dạng hình sóng. Theo ph−ơng pháp quang hình thì ở đây không thể quan sát đ−ợc các tia nghiêng mà chỉ có thể quan sát và nghiên cứu đ−ợc các tia kinh tuyến. Góc mở lớn nhất của sợi GI khác với sợi SI và đ−ợc tính theo công thức: 2 Sinq max = n 0 2 D 1 - (r / a ) (2‐27) Các tia sáng đ−a vào sợi cũng trong phạm vi một hình nón có nửa góc mở θmax , thế nh−ng giá trị θmax lại thay đổi theo bán kính r. Nếu đỉnh hình nón nằm đúng vào trục sợi (r/a = 0) thì đạt giá trị bằng của sợi GI và bằng: Sin q max = n 0 2 D = n 1 2 D = NA (2‐28) Optical Fiber Communication 45
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Khi đỉnh hình nón dịch chuyển dần ra phía ngoài về phía mặt vỏ ruột thì để cho các tia không xuyên qua mặt phân cách này đi vào lớp vỏ thì θmax phải giảm đi. Qua xem xét các tia nh− trên hình 2.5. Ta có nhận xét nh− sau: Đ Tia dọc trục có đ−ờng đi ngắn nhất, nh−ng vì có n(r) = n 0 = max nên có tốc độ nhỏ nhất. Đ Các tia khác có đ−ờng đi dài hơn, nh−ng vì có chiết suất nhỏ dần nên có tốc độ lớn hơn. Vì vậy trong sợi GI thì sự thay đổi tốc độ lan truyền bù lại sự chênh lệch quãng đ−ờng của các tia, bù trừ sự chênh lệch thời gian truyền dẫn của chúng, và độ lệch thời gian truyền dẫn trong sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. Chiết suất của ruột sợi biến thiên theo hàm gần parabol, có tham số mặt cắt gần bằng g =2 thì sợi là tối −u và có độ lệch thời gian truyền dẫn là nhỏ nhất. Tham số mặt cắt tối −u cho bởi công thức sau: 12 g OPT = 2 ư 2P ư D (2‐29) 5 Với P là tham số tán xạ mặt cắt, rất nhỏ. khi sợi có giá trị g = g OPT thì độ lệch thời gian lớn nhất trên một km giảm nhỏ và đạt giá trị Dt n D2 max = 1 (2‐30) L c 8 Khi giá trị g lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị của g OPT thì độ lệch thời gian truyền dẫn này lại tăng rất nhanh. Nếu gọi B là độ rộng băng thông truyền dẫn của sợi. Thì ta có: DTmax < 1/B . Từ (2‐30) ta tính đ−ợc giới hạn của tích số băng thông truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn của sợi quang GI là: 8 c BL ỏ 2 (2‐31) n 1 D 46 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2.3.2 Ph−ơng pháp quang học sóng Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu sự lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang bằng việc sử dụng các ph−ơng trình Maxwell. Việc phân tích các vấn đề xung quanh các ph−ơng trình Maxwell đối với ranh giới lõi và sợi là cần thiết để ta có thể hiểu một cách chi tiết quá trình truyền tín hiệu quang trong sợi dẫn quang. 2.3.2.1 Các ph−ơng trình Maxwell Với một môi tr−ờng điện môi đẳng h−ớng, tuyến tính, không có dòng điện các ph−ơng trình này có dạng: ả B ẹ xE = - (2‐32) ả t ảD ẹ xH = (2‐33) ảt ẹ. D = 0 (2‐34) ẹ.B = 0 (2‐35) ở đây E và H t−ơng ứng là các véc tơ tr−ờng điện và tr−ờng từ, còn D và B là các mật độ thông l−ợng t−ơng ứng. Các mật độ thông l−ợng có liên quan với các véc tơ tr−ờng nh− sau: D = eE + P (2‐36) B = m H + M (2‐37) Trong đóe là hằng số điện môi và m là độ từ thẩm của môi tr−ờng chân không, còn P và M t−ơng ứng là các phân cực điện và từ. Đối với sợi quang thì M= 0 vì bản chất của thuỷ tinh là không nhiễm từ. Việc xác định các hiện t−ợng về tr−ờng điện từ có thể nhận đ−ợc từ các ph−ơng trình Maxwell. Từ các ph−ơng trình (2‐32) và (2‐33) có: ả ả 2 E ẹ ´ (ẹ ´ E ) = - m (ẹ ´ H ) = - em (2‐38) ảt ảt 2 Sử dụng phép đồng nhất véc tơ ta có ẹ ´ (ẹ ´ E ) = ẹ (ẹ . E ) - ẹ 2 E (2‐39) Và sử dụng ph−ơng trình (2‐18).Tức là ẹ. E = 0, ph−ơng trình (2‐22) trở thành: Optical Fiber Communication 47
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn ả 2 E ẹ 2 H = em (2‐40) ảt 2 ả 2 H T−ơng tự: ẹ 2 H = em (2‐41) ảt 2 Hai ph−ơng trình (2‐40) và (2‐41) là các ph−ơng trình sóng chuẩn. 2.3.2.2 Các ph−ơng trình dẫn sóng Ta hãy đi vào phân tích quá trình lan truyền của sóng điện từ dọc theo sợi dẫn quang ở hình vẽ (2‐7). Hệ thống truc toạ độ trục (r,f,z) xác định theo trục z nằm dọc theo trục của sợi. Nếu các sóng điện từ lan truyền theo trục z, chúng ta sẽ có dạng ph−ơng trình sau: j (w t - b z ) E = E 0 (r , f )e (2‐42) j (w t - b z ) H = H 0 (r , f )e (2‐43) Hình 2‐7: Sự truyền sóng điện từ trong sợi Đây là các hàm điều hoà theo thời gian t trong toạ độ z. Tham số b thuộc thành phần z của véc tơ truyền lan và đ−ợc xác định nhờ các điều kiện biên trên tr−ờng điện từ tại ranh giới phân cách lõi và vỏ của sợi. Khi thay thế các ph−ơng trình (2‐42) và (2‐43) vào các ph−ơng trình dạng xoắn của Maxwell, từ ph−ơng trình (2‐16) ta có: 1 ổ ảE z ử ỗ + jr b Ef ữ = - j wm H r (2‐44) r ố ả f ứ ảE j b E + z = j wm H (2‐45) r ả r f 48 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1 ộ ả ảE r ự ờ (r Ef ) - ỳ = - j wm H z (2‐46) r ở ảr ảf ỷ Từ ph−ơng trình (2‐17) ta có: 1 ổ ảH z ử ỗ + jr b H f ữ = - j wm E r (2‐47) r ố ảf ứ ảH j b H + z = j wm E (2‐48) r ảr f 1 ộ ả ả H r ự ờ (r H f ) - ỳ = - j wm E z (2‐49) r ở ả r ả f ỷ Tiến hành rút các biến số, có thể viết lại các ph−ơng trình này, chẳng hạn nh− là khi biết E z và H z thì các thành phần ngang Er , Ef, H r , Hf, có thể đ−ợc xác định. Ví dụ có thể rút Ef hoặc H r t−ơng ứng từ các dạng Ez hoặc H z . Nh− vậy ta thu đ−ợc: j ổ ảE mw ảH ử E = - ỗ b z + z ữ r 2 ỗ ữ (2‐50) q ố ảr r ả f ứ j ổ b ảE ả H ử E = - ỗ z - mw z ữ f 2 ỗ ữ (2‐51) q ố r ảf ảr ứ - j ổ ảH we ảE ử H = ỗ b z - z ữ r 2 ỗ ữ (2‐52) q ố ả r r ảf ứ j ổ b ả H ả E ử H = - ỗ z + mw z ữ f 2 ỗ ữ (2‐53) q ố r ảf ảr ứ với q 2 = w 2 em - b 2 = k 2 - b 2 Thế vào các ph−ơng trình (2‐36), (2‐37) vào ph−ơng trình (2‐33) sẽ có kết quả về ph−ơng trình dạng sóng trong toạ độ trụ nh− sau: ả 2 E 1 ảE 1 ả 2 E z + z + z + q 2 E = 0 (2‐54) ảr 2 r ả r r 2 ảf 2 z và thế các ph−ơng trình (2‐34), (2‐35) vào ph−ơng trình (2‐30) ta có: ả 2 H 1 ảH 1 ả 2 H z + z + z + q 2 H = 0 (2‐55) ảr 2 r ảr r 2 ảf 2 z Optical Fiber Communication 49
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Từ các ph−ơng trình (2‐38), (2‐39) ta thấy từng ph−ơng trình chỉ chứa một đại l−ợng hoặc là Ez hoặc H z . Nh− vậy các thành phần dọc của E và H là tách biệt và đ−ợc chọn tuỳ ý miễn là chúng thoả mãn các ph−ơng trình (2‐38), (2‐39). Tuy nhiên Ez và H z phải thoả mãn các điều kiện bờ của các thành phần tr−ờng điện từ. Nếu nh− các điều kiện bờ không dẫn tới ghép ghép giữa các thành phần tr−ờng, thì các giải pháp mode có thể thu đ−ợc cả Ez =0 và H z =0. Khi E z =0 các mode sẽ đ−ợc gọi là các mode điện ngang hoặc mode TE, khi H z =0 sẽ cho các mode tr−ờng ngang hoặc TM. Các mode hybrid sẽ tồn tại nếu cả E z và H z khác không, đó là các mode HE hoặc EH. Các mode này tuỳ thuộc vào Ez và H z , nếu H z đóng góp lớn hơn vào tr−ờng ngang thì ta có mode HE, t−ơng tự ng−ợc lại ta có mode EH. 2.4 Các đặc tính cơ bản của sợi quang 2.4.1 Suy hao trong truyền dẫn của sợi quang Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang, và sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến nh− khuếch đại quang hay các thiết bị xen rẽ kênh v.v cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao quang. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều cách khác nhau. Đáng chú ý hơn là suy hao do bản chất bên trong của sợi. Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng bị suy hao, làm cho c−ờng độ tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nao đó. Nguyên nhân suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán sắc và các suy hao do bức xạ ánh sáng. Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu chế tạo sợi 50 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn trong đó bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện tử. Suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi. Cuối cùng, suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra. 2.4.1.1 Hệ số suy hao Công thức tổng quát về sự thay đổi công suất ánh sáng P đ−ợc truyền trong sợi quang đ−a ra bởi luật Beer: dP/dz =‐ aP (2‐56) với a là hệ số suy hao Nếu P in là công suất phát vào sợi quang có chiều dài là L, Po ut là công suất đầu ra thì từ (2‐56) ta có: Po ut = Pin exp(‐aL) (2‐57) 10 ổ P ử 10 ổ P ử ỗ out ữ ỗ in ữ Hay a( dB / km ) = - log 10 ỗ ữ = log 10 ỗ ữ (2‐58) L ố Pin ứ L ố Po ut ứ Và đơn vị của a đ−ợc tính theo dB/km. Các sợi quang th−ờng có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần nh− không có suy hao và lúc đó Po ut = Pin và a =0 dB/km. Trong thực tế, suy hao của sợi cũng rất nhỏ. Sợi đơn mode với ‐3 đ−ờng kính lõi dk = 9,4 àm, D = 1,9 x 10 , b−ớc sóng cắt là 1,1 àm thì suy hao của sợi ở b−ớc sóng 1,55 àm là 0,2 dB/km . Suy hao của bản thân sợi chủ yếu phụ thuộc vào sự hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh. Chúng ta sẽ xem xét các nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang. 2.4.1.2 Suy hao do hấp thụ cuả vật liệu trong sợi quang Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng tạo nên bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ nảy sinh là do ba cơ chế khác nhau gây ra. 1. Suy hao do hấp thụ của tạp chất Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chất có trong vật liệu sợi. Trong thuỷ tinh thông th−ờng các tạp chất nh− n−ớc Optical Fiber Communication 51
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao nh− các ion kim loại sắt, crom, coban, đồng.v.v , và các ion OH ‐ của n−ớc. Sự có mặt của các hợp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi quang mà chế tạo nh− các lăng kính thông th−ờng thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km. Các sợi quang tr−ớc đây với l−ợng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trong khoảng 1 đến 10 dB/km. Sự hấp thụ của ion OH ‐ Sự có mặt của các phần tử n−ớc đã làm cho suy hao trội hẳn lên. Liên kết OH ‐ đã hấp thụ ánh sáng ở b−ớc sóng khoảng 2,7 μm, với tác động của Silic nó tạo ra đỉnh hấp thụ ở b−ớc sóng l = 945, 1240 và 1380 nm nh− hình 2‐8. Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng. 6 5 Đỉnh hấp thu do tạp chất 4 3 2 Suy hao do tán xạ 1 945 nm 1240nm 1380 nm 0 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Bước sóng λ (àm) Hình 2‐8: Các đặc tính suy hao theo b−ớc sóng của sợi quang đối với các cơ chế suy hao 52 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự có mặt của n−ớc phải thấp hơn vài phần tỷ. Giá trị này có thể đạt đ−ợc nhờ chế tạo sợi bằng ph−ơng pháp đọng hơi hoá chất bên ngoài (Outside Chemical Vapour Deposition‐ OCVD). Các ph−ơng pháp chế tạo sợi khác cho phép làm giảm thấp hơn nữa hàm l−ợng n−ớc là ph−ơng pháp đọng hơi theo trục (Vapour Axial Deposition‐VAD), cho phép tạo ra sợi có sự tập trung OH ‐ d−ới 0,8 ppb. Với mức tạp chất này, đ−ờng cong suy hao sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và các khe suy hao nữa, kết quả này tạo ra suy hao sợi nhỏ hơn 0,2 dB /km tại b−ớc sóng 1550 nm. Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại Các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất th−ờng gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và b−ớc sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có sợi quang có độ suy hao d−ới 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10 ‐9) 2. Hiện t−ợng tự hấp thụ (Hấp thụ do bản thân vật liệu) Do các nguyên tử có cấu tạo vỏ điện tử và do mối liên quan giữa năng l−ợng và tần số bức xạ quang nên các nguyên tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc b−ớc sóng. Nh− thế vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải b−ớc sóng xác định với suy hao rất bé, hoặc hầu nh− không có suy hao. Còn ở một số b−ớc sóng nhất định sẽ có hiện t−ợng cộng h−ởng quang, quang năng bị hấp thụ và bị chuyển hoá thành nhiệt năng, đó là hấp thụ vật liệu. Thuỷ tinh thạch anh (SiO 2 ) hiện nay đ−ợc sử dụng để chế tạo sợi quang có các đỉnh cộng h−ởng nằm trong vùng b−ớc sóng hồng ngoại xa 10 á 20 àm, khá xa vùng b−ớc sóng hiện nay sử dụng cho thông tin quang là từ 0,8 á 1,6 àm trong vùng gần hồng ngoại. Tuy vậy đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh h−ởng suy hao ở các b−ớc sóng ở gần b−ớc sóng 1,6 àm. Và từ b−ớc sóng 1,6 àm trở nên thì suy hao tăng rất nhanh theo b−ớc sóng. Ngoài ra ở những b−ớc sóng nhỏ hơn 0,8 àm còn có ảnh h−ởng của hiện t−ợng cộng h−ởng hấp thụ cực tím. Optical Fiber Communication 53
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 3. Hấp thụ cực tím Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng l−ợng cao hơn, mặc dù đây là dạng hấp thụ vật liệu, nh−ng tác động t−ơng tác xảy ra trong nguyên tử, quan điểm này chính xác hơn trong phạm vi phân tử. Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu kết tinh và không kết tinh có quan hệ nh− sau: E / E 0 a UV = Ce (2‐‐59) Công thức trên đ−ợc đ−a ra bởi Urbach, trong đó C và E0 là các hằng số đ−ợc cho bởi thực tế và E là năng l−ợng photon. Vì E tỷ lệ nghịch với b−ớc sóng l, cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của b−ớc sóng. Thực tế thì suy hao cực tím nhỏ hơn so với suy hao tán xạ trong vùng gần hồng ngoại. Đối với sợi SiO2 đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14 àm, tuy nhiên đuôi suy hao của nó kéo dài khoảng 1 àm, vì vậy cũng gây ra suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn. 2.4.1.3 Suy hao do tán xạ Rayleigh Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Nh− vậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mức trung bình. Ngoài ra do thuỷ tinh đ−ợc tạo ra từ vài loại oxit nh−: SiO2 , GeO 2 , và P 2 O 5 cho nên sự thay đổi thành phần vẫn có thể xảy ra. Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa với khi b−ớc sóng của ánh sáng cùng cấp với kích th−ớc của cơ cấu tán xạ. Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần t− công suất của b−ớc sóng, và vì thế hệ thống làm việc ở b−ớc sóng dài sẽ đ−ợc quan tâm ngày một nhiều. 54 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Đối với thuỷ tinh thuần khiết, suy hao tán xạ tại b−ớc sóng l do sự bất ổn định về mật độ gây nên có thể đ−ợc cho bởi công thức sau: 3 8p 2 a = (n 2 - 1 ) k T b (2‐60) scat 3 l 4 B f T ở đây n là chỉ số chiết suất của lõi sợi, kB là hằng sô Boltzman, b T là hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu, T f là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại thành thuỷ tinh ) Km / B d ( o a h uy s ố ệ s H Hình 2‐9: Suy hao bên trong sợi quang Đơn vị tính của as cat là Neper. Để đổi sang dB trong tr−ờng hợp tính toán suy hao công suất thì ta nhân giá trị này với 10log e = 4,343. Đối với các loại thuỷ tinh nhiều thành phần tán xạ này đ−ợc tính: 3 8p 2 a = (d n 2 ) dV (2‐61) 3 l 4 2 2 m 2 2 ổ ản ử ổ ả n ử 2 ỗ ữ 2 ỗ ữ 2 với: (d n ) = ỗ ữ (ả p ) + ồ ỗ ữ (ả C i ) (2‐62) ố ảp ứ i =1 ố ả C i ứ ở đây ả p là sự thăng giáng về mật độ và ảC i là sự thăng giáng về sự tập trung của thành phần thuỷ tinh th− i. Sự thăng giáng về mật độ và thành phần lớn hay nhỏ th−ờng là không thể biết đ−ợc, do đó chúng phải Optical Fiber Communication 55
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn đ−ợc xác định thông qua các số liệu tán xạ thực nghiệm. Do tán xạ Rayleigh phụ thuộc theo l ‐4 nên nó giảm mạnh theo chiều tăng của b−ớc sóng. Nhìn chung giá trị suy hao nay lớn đáng kể ở vùng b−ớc sóng d−ới 1 àm. kết hợp các suy hao hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu (trong b−ớc sóng hồng ngoại), hấp thụ điện tử, suy hao tán xạ Rayleigh thu đ−ợc kết quả nh− trên hình 2‐9 Suy hao của sợi đa mode th−ờng là cao hơn sợi đơn mode, đó cũng là kết quả của sự tập trung tạp chất cao hơn và kèm theo sự suy hao tán xạ lớn hơn sợi đa mode. 2.4.1.4 Suy hao do uốn cong sợi Hình 2‐10: Hiện t−ợng suy hao do uốn cong vĩ mô (a) và uốn cong vi mô (b) Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất kỳ một sợi quang nào đó bị uốn cong theo một đ−ờng cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện t−ợng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và nh− vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi bị suy hao. Có hai 56 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn loại uốn cong là uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses) và uốn cong vi mô (Microbending Losses) 1. Uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses) Uốn cong có bán kính lớn t−ơng đ−ơng hoặc lớn hơn đ−ờng kính sợi, chẳng hạn nh− trong tr−ờng hợp trên ta uốn cong sợi một góc nào đó. Khi sợi bị uốn cong có bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Tất nhiên không thể tránh khỏi uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo lắp đặt. Nh−ng nếu giữ bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính uốn cong tối thiểu thì suy bị uốn cong không đáng kể. Ng−ời ta quy định bán kính uốn cong tối thiểu Rmin là: 2 3. n 1 l Rm in = (2‐63) 2 2 3 / 2 4 p (n 1 - n 2 ) Nh− vậy chúng ta cần chú ý đến Rmin để không làm tăng suy hao của sợi. Thông th−ờng bán kính tối thiểu do nhà đề nghị sản xuất từ 30nm đến 50nm. a) b) Hình 2‐11: Suy hao uốn cong ở b−ớc sóng 1300 nm trên sợi đơn mode (a), Sự tăng suy hao theo uốn cong và vi uốn cong trên sợi đa mode (b) 2. Uốn cong vi mô (Microbending Losses) Optical Fiber Communication 57
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, tr−ờng hợp này hay xảy ra trong lúc sợi đ−ợc bọc thành cáp. Khi sợi bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong khoảng vài nm) thì suy hao của sợi cũng tăng lên do tia sáng bị lệch trục. Một cách chính xác hơn sự phân bố bị xáo trộn khi qua những chỗ uốn cong vi mô và dẫn tới một phần năng l−ợng ánh sáng bị phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi vào lớp vỏ và bị suy giảm dần theo hàm mũ. 2.4.1.5 Phổ suy hao của sợi quang Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn trong mối t−ơng quan theo b−ớc sóng, ng−ời ta nhận đ−ợc phổ suy hao của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao của nó, nh−ng đều thể hiện đ−ợc những đặc tính suy hao chung nh− đã phân tích ở trên. Hình 2‐12: Đặc tính suy hao của sợi quang SiO2 pha hoạt chất GeO2 Trên hình vẽ 2‐12 cho thấy đ−ờng suy hao mẫu của sợi quang thuỷ ‐ tinh thạch anh có pha hoạt chất GeO 2 , với độ tạp chất Ion OH vào khoảng 0,5 phần triệu. Từ đặc tuyến trên hình vẽ ng−ời ta chọn thuỷ tinh thạch anh cho vùng công tác ở vùng b−ớc sóng có suy hao nhỏ từ l = 0,8 mm đến l = 1,7 mm, là vùng hồng ngoại gần. Một số nhận xét từ đặc tuyến này nh− sau: 58 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn ‐ ở vùng b−ớc sóng l = 1,55 mm có suy hao bé nhất. Dịch chuyển về phía b−ớc sóng nhỏ hơn thì suy hao tăng do tán xạ, còn về b−ớc sóng lớn hơn thì suy hao lại tăng do suy hao tự hấp thụ của vật liệu. ‐ ở vùng b−ớc sóng từ l = 0,9 mm đến l = 1,55 mm có các đỉnh suy hao do cộng h−ởng của suy hao tán xạ Rayleigh. Nếu áp dụng công nghệ và ph−ơng pháp chế tạo sợi tiên tiến, thì có thể loại trừ đỉnh suy hao do cộng h−ởng hấp thụ ở l = 0,95 mm ‐ ở vùng b−ớc sóng từ l = 0,8 mm đến l = 1 mm, suy hao tán xạ là chủ yếu, chỉ có ảnh h−ởng một phần của suy hao do hấp thụ Hình 2‐13: Suy hao và độ rộng băng của sợi GI (50 àm/ 125 àm) đ−ợc tối −u cho b−ớc sóng 1,3 àm ‐ khi giảm đ−ợc hàm l−ợng OH ‐ thì hạ đ−ợc giá trị suy hao xuống ở các vùng b−ớc sóng kể trên. Chẳng hạn nếu giảm OH ‐ xuống đến 0,2 phần triệu thì có thể đạt giá trị suy hao 2,1dB/Km ở b−ớc sóng l = 0,85 mm và giá trị suy hao nhỏ hơn 0,2 dB/Km ở vùng b−ớc sóng l=1,55 mm ‐ Trong kỹ thuật thông tin quang dùng sợi thuỷ tinh thạch anh, thì sử dụng ba vùng b−ớc sóng có suy hao bé gọi là ba vùng truyền dẫn hay ba cửa sổ, nằm giữa các b−ơc sóng l = 0,8á1,7 mm. ‐ Vùng truyền dẫn thứ nhất: l = 0,8á 0,9 mm. Optical Fiber Communication 59
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Giá trị suy hao bé nhất là amin = 2 á3 dB/Km. Vùng này bị hạn chế bởi đỉnh suy hao ở l = 0,95 mm, mặc dù hiện nay không sử dụng loại sợi công tác ở b−ớc sóng này nữa. Đây là vùng dành cho các sợi đa mode SI và GI, để ứng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn với tốc độ truyền dẫn chỉ khoảng vài chục Mbit/s. Vùng truyền dẫn thứ hai: l = 1á 1,3 mm Hình 2‐14: Biểu đồ phổ suy hao của một sợi quang đơn mode Thực ra có thể nói ở vùng b−ớc sóng l = 1,3 mm, bị giới hạn ở các đỉnh suy hao ở l = 1,24 mm và l = 1,38 mm. Tại b−ớc sóng l = 1,310 mm có amin = 0,35 dB/Km, và tán xạ vật liệu không còn. Do đó sử dụng sợi đa mode GI và sợi đơn mode cho các hệ thống truyền dẫn cự li xa với tốc độ hàng Gbit/s đi xa hàng mấy chục Kilômét. Vùng truyền dẫn thứ ba: l = 1,5á 1,7 mm Thực chất là nằm ở vùng l = 1,55 mm, bị giới hạn bởi đỉnh suy hao hấp thụ ở l = 1,38 mm và ng−ỡng hấp thụ cộng h−ởng tại l = 1,6 mm. vùng này có suy hao bé ở b−ớc sóng l = 1,55 mm có thể đạt tới amin = 0,16 dB/Km. 60 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Vùng này chủ yếu dùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thống truyền cự li xa và rất xa với tốc độ truyền dẫn lên đến hàng nghìn Gbit/s và cự li hàng trăm kilômét. Trong thực tế các loại sợi đơn mode và đa mode đ−ợc chế tạo cho một b−ớc sóng truyền dẫn xác định, khi đó nó đã đ−ợc tối −u cho b−ớc sóng đó cả về đặc tính tán xạ và cả đặc tính suy hao do đó đ−ờng biểu diễn phổ suy hao của nó sẽ khác dạng với dạng tổng quát nh− trên hình 2‐12. ‐ Trên hình 2‐13 là một ví dụ cho một sợi quang đa mode GI, đ−ợc tối −u cho truyền dẫn ở b−ớc sóng l = 1,3 mm. Đặc tuyến biểu thị độ rộng băng truyền dẫn cho thấy ở tại l = 1,3 mm sợi có tán xạ bé nên có độ rộng băng tần truyền dẫn lớn nhất, và cũng có suy hao bé nhất ở đó. ‐ Sợi đơn mode thì có đặc điểm tồn tại b−ớc sóng giới hạn. Bên trên b−ớc sóng này thì sợi làm việc ở chế độ đơn mode, còn ở bên d−ới nó thì ở chế độ đa mode. Trên hình 2‐14 là ví dụ đặc tuyến suy hao của một sợi đơn mode có b−ớc sóng giới hạn nằm trong khoảng l = 1,110á 1,270 mm, tại b−ớc sóng l = 1,310 mm sợi có thể làm việc ở chế độ đơn mode 2.4.2 Đặc tính tán sẵc của sợi quang 2.4.2.1 Khái niệm Tán xạ là hiện t−ợng các b−ớc sóng khác nhau lan truyền trong sợi quang với vận tốc khác nhau, do đó gây nên hiện t−ợng dãn xung tín hiệu. Các xung ánh sáng đ−ợc phát dọc theo sợi bị rộng ra. Nếu các xung lân cận bị dãn ra tới một lúc nào đó sẽ phủ lên nhau thì việc tách và thu các xung này ở đầu thu sẽ không dễ dàng. Lúc này, tín hiệu thu sẽ sai đi và dẫn tới lỗi bit BER. Vì vậy, tán xạ sẽ hạn chế cự ly đ−ờng truyền cũng nh− tốc độ truyền dẫn. Hệ số tán xạ của sợi quang của sợi quang đ−ợc tính bằng ps/nm.Km. Còn tham số tán xạ trong luồng quang đ−ợc tính bằng ps/nm, tức là độ dãn xung tín hiệu khi truyền qua sợi quang với độ rộng phổ nguồn phải là 1 nm. Optical Fiber Communication 61
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Theo biểu thức toán học thì tán xạ đ−ợc xác định theo độ dãn xung độ dài sợi: t 2 - t 2 Tán xạ = 2 1 ps/km (2‐64) L Với t1 là độ rộng xung đầu vào (50%). Với t2 là độ rộng xung đầu ra (50%). Pi n Pout Pout t 1 t2 100% 100% 100% 50% 50% 50% Hình 2‐15: Sự d∙n xung do tán xạ sợi Trong sợi quang có 3 loại tán xạ và tán sắc cơ bản: ‐ Tán xạ mode. ‐ Tán xạ vật liệu. ‐ Tán sắc mode phân cực. 2.4.2.2 Hiện t−ợng tán xạ Mode. Hiện t−ợng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode, các thành phần ánh sáng truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau nên có sự chênh lệch thời gian sinh ra méo xung (dãn xung). Dạng xung ở máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố sau: + Thành phần công suất từ nguồn phát quang đ−ợc ghép vào sợi quang. + Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang. Trong sợi SI, các tia ứng với mỗi mode chạy theo đ−ờng zích zắc với độ dài khác nhau trong đó tia song song với trục sợi quang có độ dài ngắn nhất. Vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo từ ruột không thay đổi 62 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần nh− nhau. Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là khác nhau. Các tia đến đầu sợi không cùng một lúc và có sự chênh lệch về thời gian gây ra giãn xung. n 1 n2 2 qc 1 L . So sánh tia dài nhất với tia ngắn nhất Hình 2‐16: Hiện t−ợng tán xạ mode L Tia 1 là tia dài nhất có độ dài: d 1 = (2‐65) cosq 1 Tia 2 là tia ngắn nhất có độ dài: d 2 = L (2‐66) L d 1 cos q c Ln1 Thời gian truyền của tia 1 là: t1 = = = (2‐67) u c c . cos q c n1 c ( u = : vận tốc ánh sáng trong lõi) n 1 n Mà: 1 (2‐68) cos q c = sin q 1 = n 2 2 L .n 1 Nên: t1 = (2‐69) C .n 2 d L L .n Thời gian truyền tia 2: t = = = 1 (2‐70) 2 u C C n1 Vậy thời gian giữa hai đ−ờng truyền là: Optical Fiber Communication 63
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn L .n 2 L . n ổ n - n ử 1 1 ỗ 1 2 ữ D t = t1 - t 2 = - . ỗ ữ (2‐71) C . n 2 C ố n 2 ứ L .n L Hay: 1 D t = n D (2‐72) C C 1 n - n Với D = 1 2 là độ lệch chiết suất t−ơng đối n 2 Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi cũng chính là độ trải xung do tán sắc mode (loại SI). 2.4.3 Tán sắc vật liệu 2.4.3.1 Khái niệm Tán sắc vật liệu đơn giản là các ánh sáng có b−ớc sống khác nhau lan truyền với vận tốc khác nhau. Nguồn quang trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao là các laser có bề rộng phổ Δλ>0. Các xung đ−ợc điều chế sẽ làm tăng độ rộng phổ. Nh− vậy mỗi thành phần b−ớc sóng do các diode laser phát ra sẽ có vận tốc khác nhau. 2.4.3.2 Nguyên nhân của tán sắc vật liệu Trong sợi đơn mode, tán sắc vật liệu là kết quả từ sự ảnh h−ởng cơ bản lẫn nhau giữa tán sắc màu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu bắt nguồn từ sự phụ thuộc phi tuyến trên b−ớc sóng của hệ số khúc xạ và vận tốc nhóm t−ơng ứng. Tán sắc ống dẫn sóng đ−ợc bắt nguồn từ mối quan hệ của b−ớc sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm tới phổ nguồn và sự khác nhau giữa tham số giữa lõi và nguồn của sợi. Một thành phần nhỏ nữa là PMD bậc 2 (sẽ đ−ợc giới thiệu ở phần sau) hay còn gọi là trễ nhóm vi sai bắt nguồn từ PMD và sinh ra các ảnh h−ởng mà ta đồng nhất tán sắc vật liệu với PMD bậc 2. Trong sợi đơn mode phép dịch tán sắc có b−ớc sóng bằng 0 tại l 0 = 1300 nm , tại đó kỹ thuật cơ sở là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Sự kiểm soát hệ số khúc xa có thể đặt trong vùng b−ớc sóng 1300/1550nm. Sau đây ta sẽ xem xét kỹ hơn về 2 nguyên nhân chính gây ra hai loại tán sắc này. Tán sắc màu 64 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Ta đã biết chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo biến đổi theo b−ớc sóng tín hiệu lan truyền, tức là n = n(l). Nếu nguồn bức xạ phát ra là sóng ánh sáng với duy nhất một b−ớc sóng lc thì không có hiện t−ợng chênh lệch thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng theo công thức: c V = = cos nt (2‐73) n ở b−ớc sóng l0 chúng lan truyền với vận tốc V=c/n (l0 )=const. Thế nh−ng nguồn phát quang nh− Diote phát quang LED hoặc Lazer không chỉ bức xạ một vạch phổ t−ơng ứng với b−ớc sóng l0 , mà chúng còn bức xạ một dải phổ quanh b−ớc sóng l0 , trong đó phổ của LED là phổ biến thiên liên tục gồm vô số vạch phổ, còn trong đ−ờng bao Diote Laser gồm một số vạch phổ nằm giữa b−ớc sóng rìa. Ta có hệ số tán sắc D M: l2 dl d 2 n D = . . (2‐74) M c l d l2 Trong đó: n: chỉ số khúc xạ. l : b−ớc sóng. Độ giãn xung ánh sáng đầu vào của máy thu chính là độ lệch thời gian truyền nhóm. t = D t n = D (l ). D l . L (2‐75) Với L: chiều dài đ−ờng truyền. D l : độ rộng băng tần của sóng ánh sáng. Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ đ−ợc khoảng 80% năng l−ợng ở trong lõi, vì vậy cần 20% ánh sáng trong vỏ nhanh hơn năng l−ợng ở trong lõi. Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi a vì hằng số lan truyền mode b là một hàm số của , nó th−ờng đ−ợc bỏ l qua trong sợi đa mode nh−ng lại cần đ−ợc quan tâm ở sợi đơn mode. T−ơng tự tán sắc màu, tán sắc dẫn sóng D w là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V(tham số V) của sợi quang đ−ợc xác định nh− sau: Optical Fiber Communication 65
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2 2 2p D ộ n 2 g Vd (V b ) dn 2 g d (V b ) ự D w = - 2 ờ + ỳ (2‐76) l ởờ n 2w dV d w dV ỷỳ ở đây n2 g là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ, b là hằng số lan truyền chuẩn. Tham số D đ−ợc giả thiết là không phụ thuộc vào tần số. Do cả hai đạo hàm là d−ơng nên D w là âm trong toàn bộ vùng b−ớc sóng 0 á 1.6 m m . Điều này khác nhiều so với tán sắc màu D M có cả giá trị âm và t−ơng đ−ơng với b−ớc sóng ở thấy hay cao hơn lZD . Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch b−ớc sóng lZD đi một l−ợng 30 á 40nm nhằm thu đ−ợc giá trị tán sắc tổng D bằng 0 tại gần 1310nm. Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu D M trongvùng b−ớc sóng 1,3 á 1,6 m m nơi hấp dẫn nhất cho các hệ thống thông tin quang. Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15 á 18ps/nm.Km ở gần b−ớc sóng 1,55 m m . Vùng b−ớc sóng này đang đ−ợc quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất. Khi mà giá trị tán sắc D cao sẽ là hạn chế đặc tính của hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng b−ớc sóng 1550nm. Vì tán sắc ống dẫn sóng D w phụ thuộc vào các tham số sợi nh− bán kính lõi a và sự khác nhau về chỉ số chiết suất D nên cho phếp cố thể thiết kế sợi để sao cho lZD đ−ợc dịch kề sát tới b−ớc sóng 1550nm. Các sợi nh− vậy đ−ợc gọi là sợi tán sắc dịch chuyển. Nh− vậy, nếu gọi D là hệ số tán sắc vật liệu. Ta có: D = D w + D M (2‐77) Với D w và D M t−ơng ứng là tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc màu. 2.4.4 Tán sắc mode phân cực 2.4.4.1 Khái niệm Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization‐ mode disperision) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode trong đó năng l−ợng tín hiệu tại b−ớc sóng đã cho đ−ợc chuyển vào hai mode cực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau. Sự chênh lệch về thời gian truyền dẫn các mode phân cực đ−ợc gọi là trễ nhóm vi sai, đ−ợc ký hiệu là t hay t g . Tán sắc phân cực mode ở một chừng mực nào 66 Optical Fiber Communication
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn đấy sẽ gây ra một số sự xuống cấp đặc tính dung l−ợng một cách nghiêm trọng. Các ảnh h−ởng của nó có thể ví giống nh− tán sắc vật liệu (hay còn gọi là tán sắc CD‐ Choromatic Dispersion), nh−ng có một số sự khác nhau quan trọng. Tán sắc CD là một hiện t−ợng t−ơng đối ổn định. Tán sắc CD tổng của tuyến thông tin quang có thể tính từ tổng các thành phần tán sắc từng đoạn của tuyến. Vì thế mà vị trí lắp đặt và giá trị tán sắc của các bộ bù tán sắc có thể đ−ợc tính toán và lập kế hoạch từ tr−ớc. Ng−ợc lại, tán sắc PMD của một sợi quang đơn mode tại một b−ớc sóng đã cho nào đó là không ổn định, điều đó tạo ra một sức ép buộc các nhà thiết kế phải tiến hành công việc dự báo thống kê về các ảnh h−ởng của PMD và không thể tiến hành bù theo ph−ơng pháp thụ động đ−ợc. 2.4.4.2 Nguyên nhân của tán sắc phân cực mode Tr−ớc đây, để tính toán về ph−ơng trình truyền sóng, chiết suất trong sợi đ−ợc coi là đồng nhất. Tuy nhiên trong thực tế không phải nh− vậy, tính đẳng h−ớng của chiết suất trong sợi quang luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân và đ−ợc gọi là tính l−ỡng chiết, đ−ợc thể hiện theo công thức: wD n b - b = eff (2‐78) s f c Trong đó c là tốc độ sáng trong chân không, b s và b f là các hằng số lan truyền ánh sáng t−ơng ứng với các trục nhanh và chậm. Hiện t−ợng l−ỡng chiết trong sợi quang làm cho xung ánh sáng trong lan truyền sợi bị trễ pha với các thời gian trễ khác và tách làm hai xung có tốc độ lan truyền khác nhau. Khi lan truyền trong môi tr−ờng có tính l−ỡng chiết, trạng thái phân cực của ánh sáng cũng quay một cách có chu kỳ. Chiều dài sợi mà tại đó trạng thái phân cựccủa ánh sáng quay trở lại nh− ban đầu đ−ợc tính bởi: l LB = (2‐79) D n ef Trong đó l là b−ớc sóng của ánh sáng, D n eff là độ chênh lệch chiết suất giữa hai trục lan truyền của sợi quang. LB là đại l−ợng đặc tr−ng cho Optical Fiber Communication 67
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn tính l−ỡng chiết của sợi, LB càng nhỏ thì sợi có tính l−ỡng chiết càng lớn. Nhìn chung, hiện t−ợng l−ỡng chiết trong sợi quang phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong đó chủ yếu do bản chất không đồng nhất của sợi, nhiệt độ, ứng suất.v v Trục nhanh Trục chậm Hình 2‐17: Hiện t−ợng tách xung ánh sáng khi truyền qua môi tr−ờng l−ỡng chiết 2.4.4.3 Các tham số và mối quan hệ. T−ơng tự nh− tán sắc vận tốc nhóm GVD, sự dãn xung có thể đ−ợc xác định từ thời gian trễ D T giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung. Với sợi quang có độ dài là L thì D T đ−ợc viết nh− sau: L L DT = - = L b lx - b ly = L Db l (2‐80) n gx n gy ở đây các chỉ số phụ x và y dùng để phân biệt hai cực trực giao và Db 1 đ−ợc ràng buộc với sự l−ỡng chiết sợi. Trong đó mối liên hệ vận tốc nhóm vg với hằng số lan truyền D tuân theo biểu thức: - 1 ổ d b ử Vg = ỗ ữ (2‐81) ố dw ứ T−ơng tự với tr−ờng hợp tán sắc bên trong mode, l−ợng D T/L là hoàn toàn lớn (~ 1 ns/km) khi hai thành phần phân cực đ−ợc kích thích 68 Optical Fiber Communication