Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như Tổng quan về hệ thống thông tin quang; Cáp sợi quang. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang: Phần 1

ĐÀO HUY DU G i á o trìn h KỸ t h u ậ tT I THÔNG TIN QUANG < ỊD .............. _____________________ ____ ^ NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM
ĐÀO HUY DU Giáo trình KỸTHUẬTTHÔNG TINQUANG NHÀ XUÁT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM
LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống truyền dẫn quang đã được áp dụng ở tất cà các quôc gia trên thế giới, cà m ạng đường trục quốc gia và đường xuyên lục địa; và là một hệ thống rất quan trọng trong vấn để truyền dẫn hiện nay. M ạng quang ra đời đảnh dấu bước nhảy vọt trong lĩnh vực truyền thông tốc độ cao. Cuốn “Giáo trình K ỹ th u ậ t thông tin q u a n g ” cung cấp kiến thức cơ bản vê các linh kiện thiết bị và thiết kế trong hệ thống thông tin quang nhằm giới thiệu cho người học nắm được tống quan về hệ thống thông tin quang. N ội dung cuốn giáo trình tập trung giới thiệu các phần từ cơ bản cùa hệ thắng thông tin quang, nguyên lý chung về truyền tín hiệu quang, các phần từ thu, phát tín hiệu quang; phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang; cách thi công lắp đặt tuyến truyền dẫn quang. Giáo trình này được viết dựa trên các tài liệu tham kháo và tiếp thu nhiều ý kiến đóng góp quỷ báu cùa các nhà khoa học, đòng thời đã trao đối với các cán bộ kỹ thuật đang vận hành trong thực tế để đảm bào sát thực với hệ thống thực tế. Nội dung "Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang ” gom 5 chương: Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương 2. Cáp sợi quang Chương 3. Bộ p h á t quang Chương 4. Thiết bị thu quang Chương 5. T hiết k ế hệ thống thông tin quang Cuốn giáo trình này phục vụ cho sinh viên các ngành Kỹ thuật viễn thông, Kỹ thuật điện từ, K ỹ thuật máy tính, Điện tử y sinh cùa các trường đại học, cao đẳng. Ngoài ra, Giáo trình cũng giúp ích cho các cán bộ kỹ thuật đang vận hành, quàn lý hệ thống truyền dẫn quang và các cán bộ quan tăm đến lĩnh vực này. 3
Tác già xin bày tỏ lòng cảm ơn tới: ThS. Lê Thị Huyền Trang và KS. Nguyễn Đức Mùi đã giúp đỡ hoàn thành cuốn sách này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng khi biên soạn nhưng nội dung Giáo trình chắc chắn sẽ không thế tránh khỏi những khiếm khuyêt. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đông nghiệp và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để Giáo trinh được hoàn thiện hơn trong những lan tái bản sau. Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Điện từ, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, sổ 666 đường 3/2 phường Tích Lương, thành Phố Thái Nguyên. Xin trán trọng cám ơn! Tác giả 4
MỤC LỤC Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin q uang..................... 9 1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................... 9 1.2. Nguyên lý tổ chức cùa hệ th ố n g ...................................................13 1.3. Các thành phần cơ bản cùa hệ thống thông tin q u an g ..............15 1.4. Khuếch đại q u an g ............................................................................ 18 1.5. Ghép kênh quang............................................................................. 21 1.6. Phân loại hệ thống thông tin quang..............................................23 1.7. Khả năng và ưu điểm của hệ thống thông tin q u a n g ............... 25 Câu hỏi ôn tập chương 1........................................................................27 Chương 2. Cáp sợi quang................................................................ 2 9 2.1. Cơ sở quang h ọ c ..............................................................................29 2.2. Cấu tạo và phân loại sợi quang..................................................... 31 2.2.1. Cấu tạo sợi q u an g .............................................................. 31 2.2.2. Phân loại sợi q u a n g .......................................................... 32 2.3. Lý thuyết điện từ cho phương thức truyền q u a n g .................... 38 2.3.1. Sóng điện t ừ ........................................................................ 38 2.3.2. Chế độ thanh dẫn p h ẳ n g .................................................40 2.3.3. Pha và vận tốc nhóm ....................................................... 44 2.3.4. Độ dịch pha với phàn xạ toàn phần và trường điện từ tắt dần.................................................. 45 2.3.5. Chuyển đổi G oos-H anchen..............................................52 2.4. Truyền sóng ánh sáng trong sợi q u a n g .......................................53 2.4.1. Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đa m ode................. 54 2.4.2. Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đơn m ode............... 63 2.5. Suy hao trong sợi q u a n g ...............................................................67 5
2.5.1. Tán sắc trong sợi quang................................................... 67 2.5.2. Suy hao................................................................................ 74 2.5.3. Hiệu ứng phi tuyến........................................................... 2.6. Một số loại sợi quang m ớ i............................................................80 2.6.1. Nguyên tắc tạo sợi quang m ới......................................... 81 2.6.2. Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang........................................................84 2.7. Các phương pháp chế tạo sợi q u a n g ........................................... 86 2. 7. /. Phương pháp thanh - ống co đ ie n .................................. 86 2.7.2. Phương pháp nồi nấu đôi................................................. 87 2 .7.3. Phương pháp đọng hơi hoá c h ấ t.................................... 88 2.7.4. Kéo sợ i.................................................................................90 2.8. Cáp sợi q u an g .................................................................................. 91 2.8.1. Yêu cầu kỹ thuật................................................................. 91 2.8.2. Cấu tạo cáp quang............................................................ 92 2.8.3. Phân lo ạ i............................................................................ 96 2.8.4. Một số loại cáp quang thông dụng.................................97 2.9. Hàn nối cáp sợi q u a n g ...................................................................98 2.9.1. Yêu cầu kỹ thuật................................................................98 2.9.2. Các phương pháp hàn noi sợi quang............................ 99 Câu hòi và bài tập chương 2 ............................................................... 103 Chưong 3. Bộ phát q u an g............................................................... 106 3.1. Giới thiệu........................................................................................106 3.2. Nguyên lý chung của bộ phát quang.......................................107 3.2.1. Các khái niệm cơ bàn.................................................. 107 3.2.2. Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết h ợ p ............ 108 3.2.3. Nguyên lý bức xạ ánh sáng kết hợp - Nguyên lý Laser.................................... ] 09 3.2.4. Nguyên lý bức xạ ánh sáng cùa laser bán d ẫ n ........ 1 ] 1 6
3.3. Các bộ phát q u an g ......................................................................... 115 3.3.1. Yêu cầu về vật liệu chế tạo LED và LD bán d ẫ n ......115 3.3.2. L E D ....................................................................................... 116 3.3.3. Laser diode (LD )................................................................127 3.4. Các nguồn Laser bán dẫn đơn m ode..........................................136 3.4.1. Yêu cầu................................................................................. 136 3.4.2. Diode laser đơn mode có cấu trúc dị thê chôn B H (Buried H eterostructure)..................... 137 3.4.3. Diode laser đơn mode loại hoi tiếp phân bổ DFB (Distributed Feedback L D ).................... 138 Câu hòi và bài tập chương 3 ................................................................ 141 Chương 4. Thiết bị thu q u a n g .................................................... 1 4 4 4.1. Giới thiệu......................................................................................... 144 4.2. Bộ tách sóng Photodiode..............................................................145 4.2.1. Bộ tách sóng photodiode p - i - n .......................................145 4.2.2 Thời gian đáp ứng và dòng photon vùng trôi cùa bộ tách sóng quang................................................................... 151 4.2.3. Photodiode thác A P D ........................................................ 156 4.2.4. Vật liệu chế tạo photodiode.............................................. 161 4.3. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng q u a n g ...................162 4.3.1. Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng q ua n g .................163 4.3.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu................................................ 167 Câu hỏi và bài tập chương 4 ................................................................ 168 Chương 5. Thiết kế hệ thống thông tin q u a n g ...................... 17 4 5.1. Các nguyên tắc xây dựng hệ thống thông tin q u a n g .............. 174 5.2. Các cơ sở để thiết kế tu y ến .......................................................... 175 5.3. Quy trình thiết kế............................................................................177 5.3.1. Khảo sát điều kiện lắp đặt.............................................177 7
5.3.2. Chọn tuyến...................................................................... 186 5.3.3. Lựa chọn sợi q ua n g ...................................................... 187 5.3.4. Chọn nguồn quang......................................................... 191 5.3.5. Lựa chọn thiết bị............................................................ 194 5.3.6. Tính toán chiều dài trạm lặp........................................ 195 5.3.7. Tính toán thời gian tăng sườn x u n g .......................... 198 5.3.8. Tính toán tỷ sổ lỗi bit B E R........................................... 199 5.4. Thi công lắp đ ặ t............................................................................200 5.4.1. Quy định ch u n g............................................................. 200 5.4.2. Lắp đặt cáp......................................................................201 5.4.3. Hàn nối sợi qua n g .........................................................212 5.4.4. Thi công tiếp đất............................................................ 212 5.4.5. Thi công lắp đặt thiết bị, nhà trạ m .......................... 213 5.5. Phần mềm hỗ trợ thiết kế hệ thống thông tin quang.............. 214 Câu hỏi và bài tập chương 5 .............................................................. 214 Tài liệu tham kh ảo ............................................................................. 214 8
Chương 1 TỔNG QUAN VỂ HỆ T H ốN G THÔNG TIN QUANG Thông tin liên lạc có thể được định nghĩa là quá trình truyền tin từ một điểm này đến một điểm khác. Để truyền thông tin qua một khoảng cách bất kỳ thì yêu cầu cần phái có một hệ thống truyền tin. Trong một hệ thống thông tin liên lạc thì thông tin cần truyền đi sẽ được điều chế lên dài tần sóng điện từ, nó làm nhiệm vụ như một sóng mang đê mang tín hiệu thông tin. Tín hiệu sau điều chế này được truyền đến đích và bên thu sẽ có nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu để nhận được thông tin ban đầu. Nhiều kỹ thuật phức tạp đã được phát triển bàng cách sừ dụng sóng điện từ mang tin hoạt động ờ dải tần số vô tuyến như vi ba và các tần số sóng milimét. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể sừ dụng sóng mang điện từ được lựa chọn trong dài tần số quang. 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Việc sử dụng sóng mang hoặc ánh sáng đề truyền thông tin đã trờ nên phổ biến trong nhiều nãm trở lại đây. Hệ thống đơn giản nhất như là các loại pháo hiệu, gương phàn xạ và gần đây nhất là các loại đèn tín hiệu. Hơn nữa, năm 1980 Alexander Graham Bell đã chi ra ràng có thể truyền tiếng nói bằng cách sừ dụng một chùm sáng. Chỉ sau bốn năm, sau khi phát minh ra điện thoại di động, Bell đã đề xuất sử dụng máy phát âm bàng ánh sáng để điều chế ánh sáng mặt trời bàng cách sử dụng màng chan để truyền tiếng nói qua khoảng cách 200m. Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp theo về hệ thống truyền thông quang được tiếp tục ở những năm đầu của thế kỷ 21, nó được sừ dụng cho các liên kết truyền thông di động với dung lượng thấp, v ấ n đề đặt ra ờ đây là chưa tim được nguồn sáng phù hợp và truyền dẫn ánh sáng bị hạn chế bởi đường truyên, các vấn đề về nhiễu như mưa, tuyết, sương mù và các xáo trộn của khí quyền. 9
Một trong những điểm mấu chốt để phát triển truyên thông quang đó là sự ra đời cùa nguồn laser vào năm 1960. Laser bán dẫn được công nhận đầu tiên vào năm 1962, và cũng là loại laser được sừ dụng rộng rãi nhất trong công nghệ sợi quang hiện nay. Laser cung câp một nguon sáng kết hợp, cùng với khả năng điều chế ở tần số cao. Vì các tân sô ánh sáng cỡ 5.1014H z nên về lý thuyết nguồn laser có dung lượng thông tin lớn hơn các hệ thống viba 10s lần, tương đương bàng 10 triệu kênh ti vi. Đầu năm 1960, một số thí nghiệm sử dụng kênh ánh sáng không khí để truyền tín hiệu cho thấy việc điều chế một sóng mang ánh sáng kết hợp tại các tần số rất cao là rất khả thi. Tuy nhiên, thực tế giá thành rất cao và chịu nhiều ảnh hường cùa môi trường xung quanh đã khiên cho các hệ thống có tốc độ rất cao này trở nên kém hấp dẫn vê mặt kinh tế so với nhu cầu dung lượng kênh thông tin lúc bấy giờ. Đồng thời với các thí nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì chúng có thể tạo ra kênh quang tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí. Ban đầu thì suy hao cực lớn dẫn đến không thực tế (lớn hem 1000dB/km) và do đó là không thể thay thế cho các loại cáp đồng trục (suy hao từ 5 đến lOdB/km). Năm 1966: Kao, Hockham và Wertst gần như đồng thời phát hiện việc suy hao lớn là do độ không tinh khiết của vật liệu sợi và cho rằng có thể giảm được những giá trị suy hao này tới một giá trị mà ờ đó các ống dẫn sóng ánh sáng trờ thành môi trường truyền dẫn khả thi. Vào thời điểm đưa ra đề xuất này, có thể chế tạo sợi quang có mức suy hao bàng hoặc hơn 1000dB/km. Năm 1970: Kapron, Kect và Maurer đã chế tạo được sợi Silica có suy hao 20dB/km (hệ số suy hao công suất tín hiệu là lOOIần/km). Tại giá trị suy hao này thì khoảng cách bộ lặp cùa tuyến truyền dẫn quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, và do đó đã đưa được công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế. Dần đến sự ra đời của các hệ thống sợi quang ở bước sóng 850nm. Bước sóng này được gọi là “cừa sổ đầu tiên” trong sợi quang trên cơ sở vật liệu silic. Tuy nhiên vào những năm 1980 khi công nghệ phát triển thì cứa sổ đầu tiên này trở nên kém hấp dẫn hơn do giới hạn suy hao 10
tương đối cao 3dB/km . Hầu hết các nhà sàn xuất sợi quang đã chuyên sang “cửa sổ thứ h ai” ở bước sóng 1300nm, với hệ số suy hao thâp hơn khoảng 0,5dB/km . 1.1. Dải tần s sóng điện t sử dụng trong h thống thông tin quang ệ Truyèn thòng cip S I quang Ợ Hình ố ừ 11
Trong hai thập kỳ tiếp theo, người ta đã nghiên cứu đê làm giam suy hao xuống còn 0,16dB/km (suy hao công suất tín hiệu là 4% /km) tại “cửa sổ thứ ba” với bước sóng 1550nm, một giá trị gân với giá tri lý thuyết là 0,14dB/km. Song song với sự phát triển của sợi dẫn quang, thì sự chú ý cũng đã được tập trung vào các thành phần quang học khác góp phân tạo nên một hệ thống truyền dẫn quang hoàn chinh. Như nguôn quang bán dân (ví dụ: laser bơm và diode phát quang) và thiết bị tách sóng quang (ví dụ: diode tách sóng quang và phototransistor) cũng được yêu câu ứng dụng công nghệ mới để thiết kế sao cho tương thích với kích thước của sợi quang. Ban đầu các laser bán dẫn này hoạt động trong thời gian rât ngắn, chi khoảng một vài giò, nhưng những tiến bộ trong cấu trúc cùa thiết bị đã tâng thời gian này lên đến 1000 giờ và 7000 giờ tương ứng vào năm 1973 và 1977. Những thiết bị này ban đầu được chế tạo từ hợp kim cùa gallium arsenide (AlGaAs), ánh sáng phát ra trong vùng cận hồng ngoại ở giữa 0,8|im và 0,9|im. Sau đó phạm vi bước sóng đã được mở rộng trong khoảng từ 1,1 ^im đến l,6|im bàng việc sừ dụng các hợp kim bán dẫn khác. Đặc biệt là trong vùng bước sóng từ l,3|im đen l,5|im , laser bán dẫn và cũng là cấu trúc diode phát quang đơn giàn dựa trên thành phần hợp kim bậc 4 cùa InGaAsP kết hợp vói một chất nền InP đã ra đời từ những năm 1980 với khoáng thời gian sống trung bình lên tới 25 nám ( ờ 10°C). Do đó, vật liệu và công nghệ chế tạo đã được phát triên khỏng ngừng, nhất là cho lĩnh vực viễn thông. Hơn nữa, các laser này còn được cung cấp thêm một hệ thống tàn nhiệt cùng với một photodiode giám sát đề đo và kiềm soát nhiệt độ. Đối với điều chế trực tiếp, laser bán dẫn sử dụng một mode truyền dẫn có thể đạt tốc độ 2,5Gb/s với khoảng cách truyền lên tới 200km tại bước sóng l,55|im và có thể mờ rộng lên tới lOGb/s với các kết nối ngẩn không sừ dụng trạm lặp. Thực tế, thì các nghiên cứu gần đây đã tập trung phát triển với tốc độ truyền dẫn lên tới 40Gb/s, bằng cách sử dụng nguồn laser điều chế ngoài, ví dụ như bộ điều chế M ach-Zehnder hoặc bộ điều chế hấp thụ điện. Khía cạnh này cũng đã chứng minh được khá năng của vùng cừa sổ sừ dụng bước sóng dài l,3|im . Đê đại được 12
suy hao truyền dẫn thấp thì cần truyền trong khoảng bước sóng từ l,3nni đến l,6 ^m , đặc biệt là tại bước sóng l,5 5 |im có hệ số tán sắc nhò đã được thương mại hóa dưới dạng cấu trúc sợi đơn mode. Mặc dù công nghệ chế tạo sợi đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, thậm chí người ta đã ứng dụng sợi ílouride hoạt động ở bước sóng dài hom ở giữa vùng hồng ngoại (từ 2^im đến 5(im) hoặc vùng xa hom (từ 8nm đến 12nm), nhưng cũng không thể chứng m inh được khả năng ứng dụng cùa nó vào việc chế tạo sợi quang. Với hiệu suất cao, đáng tin cậy thì hệ thống truyền thông quang hiện nay đã và đang được triển khai rộng rãi trong mạng lưới viễn thông trên toàn thế giới. Đặc biệt là đối với các tuyến đường trục quốc gia, các tuyến cáp biển quốc tế. 1.2. NGUYÊN LÝ T ổ CHỨC CỦA HỆ THỐNG Thông tin quang được tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà các thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thù theo một hệ thống thông tin nói chung. Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn chung cho trên hình 1,2a, chức năng của nó là truyền tải tín hiệu từ nguồn tới đích qua các phương tiện truyền dẫn. Do đó, hệ thống thông tin liên lạc sẽ bao gồm bên phát hay là bộ điều chế tín hiệu từ nguồn thông tin, các phương tiện truyền dẫn, và bên thu hay là bộ giải điều chế. Trong thông tin điện thì nguồn tin sẽ cung cấp một tín hiệu điện, đều là các dạng thông tin thông thường (như âm thanh), sau đó sẽ qua bộ chuyển đổi tín hiệu để phù hợp với đường truyền dẫn. Điều này được thực hiện bàng cách sử dụng bộ điều chế với một sóng mang thích hợp. Các phương tiện truyền dẫn thì có thể là m ột cặp dây dẫn, cáp đồng trục hoặc một đường truyền vô tuyến để truyền dẫn tín hiệu đến phía thu, tại đó sẽ chuyển đổi tín hiệu nguợc trở lại thông qua bộ giải điều chế tín hiệu tương ứng. Tuy nhiên, chúng ta cần phải lưu ý ràng môi trường truyền dẫn là có tổn hao và tín hiệu có thể bị suy giảm bời các yếu tố nhu nhiễu, tiếng ồ n ... cũng như là các biến dạng bời chính các cơ chế bên trong nó. Vì vậy, bất kỳ một hệ thông thông tin liên lạc nào cũng xác định được một khoảng cách 13
tôi đa cho phép giữa máy phát và máy thu để có thể nhận được thông tin một cách chính xác. Đối với các tuyến đường dài thì sẽ đòi hòi phái lăp đặt thêm các bộ lặp và bộ khuếch đại dòng để loại bò méo tín hiệu và tăng mức tín hiệu lên trước khi truyền tiếp. Hình 1.2. a) Hệ thống truyền dẫn chung; b) Hệ thống truyền dẫn quang Đối với thông tin sợi quang thì hệ thống thể hiện trên hình l .2a có thể được xem xét chi tiết hơn như trong hình 1.2b. Trong trường hợp này, nguồn thông tin cung cấp một tín hiệu điện đến máy phát để chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Việc chuyển đổi tín hiệu điện^quang này có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc laser bán dẫn. Sau đó tín hiệu sẽ được đưa lên kênh truyền là cáp sợi quang và bên nhận sẽ giải điều chế tín hiệu quang thành tín hiệu điện bàng thiết bị tách sóng quang. Thiết bị tách sóng ở đây có thề sử dụng là photodiode (loại p-n, p -i-n hoặc APD), trong một số trường hợp khác người ta có thê sử dụng tranzito quang và chất quang dẫn. Sóng mang quang có thể sử dụng một trong hai loại điều chế tương tự hoặc điều chế số. Tuy nhiên, đê đơn giản và hiệu quà thì người ta thường sử dụng kỹ thuật điều chế số. 14
Hình 1.3. Hệ thống truyền dẫn quang số sử dụng nguồn laser bán dẫn vả thiết bị tách sống quang APD Hình l .3 chì ra một liên kết quang sử dụng điều chế số điển hình. Ban đầu, tín hiệu số từ các nguồn thông tin được mã hóa phù hợp với đường truyền dẫn quang. Sau đó sử dụng mạch điều khiển laser trực tiếp điều biến cường độ của laser bán dẫn theo tín hiệu đã được mã hóa và truyền trên đường truyền cáp sợi quang. Phía bên thu sử dụng photodiode thác (APD) để tách sóng tín hiệu, sau đó cho qua bộ tiền khuếch đại và bộ cân bàng hoặc bộ lọc để tăng độ lợi tín hiệu và xử lý nhiễu. Cuối cùng, tín hiệu thu được bằng cách đưa qua bộ giải mã để nhận lại tín hiệu như ban đầu. Việc xem xét các ưu thế trong truyền thông ánh sáng bằng cáp sợi quang so với các hình thức thông tin liên lạc trước đây, đã cho thấy được tầm quan trọng cũng nhu tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống ờ các khu vục khác nhau trên toàn thế giới. 1.3. CÁC THÀNH PHẦN c ơ BẢN CÙA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Cho đến nay, các hệ thống thông tin quang không còn được gọi là các hệ thống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lưới với các cấu trúc khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển cùa hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất như vậy, ta có thề xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như hình 1.4. Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang - còn gọi là bộ phát quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang - hay bộ thu 15
quang. Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gôm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chù yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp. Ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuêch đại quang, thiết bị bù tán sắc, và các trạm xen rẽ kênh, tất cà tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chinh. Bộ phát quang Tínhiệu quang Hình 1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Tương tự như cáp đồng, việc lắp đặt cáp quang có thể là treo đi trong ống dẫn, thả dưới biền hay chôn trực tiếp dưới đất. Độ dài cùa sợi cáp sẽ nằm trong khoảng từ một vài trăm mét tới vài kilômét đối với những ứng dụng có khoảng cách truyền dẫn lớn. Tuy nhiên đôi khi kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp được kéo trong công sẽ không thể cho phép dài được, cáp có độ dài khá 16
lớn thường được dùng cho treo hoặc chôn trực tiếp. Một tuyến truyên dẫn đường dài hoàn chinh thường được hình thành bằng cách ghép nhiều đoạn cáp đơn với nhau. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao, đó là một hàm của bước sóng. Nguồn phát quang ờ thiết bị phát có thể sừ dụng diode phát quang (LED) hoặc laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, có tín hiệu quang đầu ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ờ đầu vào cùa thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách thay đổi dòng điện đi đến nguồn quang. Sau khi tín hiệu quang được phát vào sợi quang, nó sẽ bị suy hao và bị tăng dần độ méo theo khoảng cách do hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc, và một số ảnh hưởng khác gây nên. Bộ tách sóng quang trong thiết bị thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ huớng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiot p - i- n và photodiot thác APD đều có thể sử dụng làm các bộ tách sóng quang trong hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh. Với các ứng dụng mà tín hiệu ánh sáng thu được có công suất thấp thì thuờng sử dụng APD vì nó có độ nhạy cao hơn nhờ cơ chế khuếch đại nội (hiệu ứng thác). ' Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã đuợc sử dụng để thay thế các thiết bị trạm lặp quang. Nó thục hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không phái thông qua quá trình biến đổi quang - điện. Thực tế, trên tuyến truyền dẫn dài đi qua một số các điểm cần thông tin với nhau, hệ thống cần phải có thêm các trạm xen rẽ kênh. Các thiêt bị xen rẽ kênh thực hiện tách các kênh cần thiết trong tổng các kênh được truyền dẫn tại nơi nhận các kênh thông tin này, và cũng có thể ghép xen thêm kênh tại nơi muốn gửi thông tin đi. Việc xen rẽ kênh 17
thường được thực hiện thông qua các thiết bị ghép kênh điện và gọi là thiết bị ADM. Tuy nhiên thời gian gần đây, các thiết bị xen rẽ kênh quang OADM đã được ứng dụng. Cho phép tách/ghép trực tiẻp các luồng tín hiệu quang trên tuyến truyền dẫn, và như vậy không cân phải thông qua quá trình biến đồi quang - điện. 1.4.KHUẾCH ĐẠI QUANG Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thông khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thoà mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự phòng thì càn phải có các trạm lặp đê khuêch đại tín hiệu trên đường truyên. Các trạm lặp ờ đây thực hiện khuêch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang. Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thê truyên xa được nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đù lớn để truyền lên đường truyền. Với sự phát triển cùa khoa học công nghệ, người ta thục hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đồi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Input Output A J \ — r out ---- ' p,n - nin Sợi quang / Sợi quane ---------_------------- N4--------------- ------------------ +~*-------------- _ _ Miẻn quang Miên điện I Miền quang Hình 1.5. Cấu trúc của một trạm lặp quang điện 18