Mạng máy tính - Chương 3

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

102
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo giáo trình Mạng máy tính - Chương 3 trình bμy về hệ thông tin sợi quang, đây lμ hệ thông tin đang đ−ợc sử dụng hiệu quả, có tốc độ cao vμ dung l−ợng lớn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mạng máy tính - Chương 3

Ch−¬ng 3 HÖ thèng th«ng tin quang 3.1. HÖ thèng th«ng tin sîi quang 3.1.1. CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin sîi quang CÊu tróc c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin quang m« t¶ ë h×nh 3.1. TÊt c¶ c¸c tÝn hiÖu ®iÖn tõ m¸y ®iÖn tho¹i, tõ c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi, sè liÖu fax ®−a ®Õn ®−îc biÕn ®æi sang tÝn hiÖu quang qua mét bé biÕn ®æi ®iÖn quang E/O (c¸c møc tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc biÕn ®æi thµnh c−êng ®é s¸ng). C¸c tÝn hiÖu ®iÖn nhÞ ph©n "0" vµ "1" ®−îc biÕn ®æi ra ¸nh s¸ng d¹ng "kh«ng" vµ "cã" vµ sau ®ã ®−îc göi vµo c¸p quang. C¸c tÝn hiÖu truyÒn qua sîi quang c«ng suÊt bÞ gi¶m vµ d¹ng sãng (®é réng xung) bÞ d·n ra. NÕu c«ng suÊt vµ d¹ng sãng ®Õn n¬i nhËn (víi kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh) vÉn b¶o ®¶m trong møc ®é quy ®Þnh, nã sÏ ®−îc ®−a ®Õn bé biÕn ®æi quang-®iÖn O/E. Bé biÕn ®æi quang-®iÖn sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thu ®−îc thµnh tÝn hiÖu ®iÖn vµ kh«i phôc l¹i nguyªn d¹ng tÝn hiÖu cña m¸y ®iÖn tho¹i, fax… ®Ó göi ®i. TÝn hiÖu ®· kh«i phôc ®−îc truyÒn ®Õn c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi cña chÆng truyÒn dÉn. H×nh 3.1: CÊu h×nh cña hÖ thèng th«ng tin sîi quang Bé biÕn ®æi ®iÖn-quang E/O lµ c¸c linh kiÖn ph¸t quang nh− diode ph¸t quang (LED) hay laser diode. Bé biÕn ®æi quang-®iÖn O/E chÝnh lµ photo diode. Khi kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn gi÷a tr¹m nguån vµ ®Ých lín h¬n giíi h¹n quy ®Þnh (®èi víi tõng lo¹i sîi quang) tÝn hiÖu sÏ bÞ biÕn d¹ng vµ suy gi¶m tíi møc khã håi phôc l¹i chÝnh x¸c. Lóc ®ã cÇn cã c¸c tr¹m lÆp (repeater: tiÕp søc) gi÷a ®−êng truyÒn ®Ó b¶o ®¶m, tÝn hiÖu tr¹m ®Ých cã thÓ håi phôc chÝnh x¸c. C¸c tr¹m lÆp nµy sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thu ®−îc thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, råi dïng khuÕch ®¹i ®iÖn tö khuÕch ®¹i lªn vµ söa d¹ng nh− tÝn hiÖu ®iÖn ban ®Çu. TÝn hiÖu nµy sÏ qua bé biÕn ®æi ®iÖn- quang 50
E/O, thµnh tÝn hiÖu quang vµ tiÕp tôc ®−îc truyÒn qua sîi quang tíi ®Ých. Tãm l¹i lµ viÖc söa d¹ng vµ t¨ng c−êng c«ng suÊt cña tÝn hiÖu quang ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ®iÖn. 3.1.2. §Æc ®iÓm cña th«ng tin sîi quang HÖ thèng th«ng tin quang cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n hÖ thèng sö dông c¸p ®ång do sö dông c¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang, linh kiÖn thu quang ph¸t quang. Sîi quang cã nh÷ng −u ®iÓm sau: - Suy hao cña c¸p quang thÊp h¬n nhiÒu so víi c¸p kim lo¹i. - C¸p sîi quang ho¹t ®éng ë tÇn sè rÊt cao so víi c¸p kim lo¹i, do ®ã ®é réng b¨ng lín h¬n nhiÒu. - KÝch th−íc rÊt nhá, träng l−îng nhÑ h¬n c¸p ®ång.Cïng mét kÝch th−íc nh− c¸p kim lo¹i, c¸p sîi quang chøa sè lâi sîi quang lín h¬n sè lâi sîi kim lo¹i vµ nhÑ h¬n nhiÒu. Do vËy viÖc l¾p ®Æt c¸p ®¬n gi¶n. - Do sîi quang cÊu tróc b»ng c¸c chÊt c¸ch ®iÖn nh− thñy tinh hoÆc chÊt dÎo, nªn chèng nhiÔu cao, chóng kh«ng chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tõ tr−êng ngoµi. Kh«ng chÞu t¸c dông cña m«i tr−êng nh− nhiÖt ®é, ®é Èm vµ hãa häc. Do vËy rÊt thuËn lîi khi cho c¸p xuèng m«i tr−êng biÓn. C¸c bé biÕn ®æi O/E vµ E/O cã nh÷ng −u ®iÓm sau: - Cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi O/E vµ E/0 tèc ®é cao, nªn sö dông thuËn lîi trong th«ng tin tèc ®é cao vµ b¨ng réng. - HiÖu suÊt biÕn ®æi quang-®iÖn cao vµ kÝch th−íc l¹i nhá. - C¸c linh kiÖn cã thÓ ph¸t x¹ c«ng suÊt quang lín, vµ ®é nh¹y cña m¸y thu cao, nªn cã thÓ cho phÐp t¨ng kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn. MÆc dï c¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang gÆp ph¶i hai khã kh¨n c¬ b¶n: gi¸ thµnh khi x©y dùng hÖ thèng cao, kü thuËt l¾p ®Æt ®ßi hái kh¾t khe (khíp nèi c¸c sîi quang) ®ßi hái tr×nh ®é chuyªn nghiÖp cao, song nã vÉn ®ang ®−îc ph¸t triÓn nhanh vµ quan t©m rÊt nhiÒu. Th«ng tin quang nh− ph©n tÝch ë trªn cã thÓ tãm t¾t l¹i nh÷ng −u ®iÓm chÝnh: - Cã thÓ cho phÐp kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tr¹m tíi vµi chôc km. Mét sè tuyÕn ®iÖn tho¹i cã thÓ liªn l¹c trùc tiÕp kh«ng cÇn tr¹m lÆp. Nã rÊt thÝch hîp víi th«ng tin ë kho¶ng c¸ch lín, ®Þa h×nh phøc t¹p, nói cao vµ biÓn s©u. - Khèi l−îng th«ng tin thùc hiÖn rÊt lín, tèc ®é truyÒn t¶i còng lín. Cho phÐp thùc hiÖn nhiÒu dÞch vô nh− truyÒn h×nh sè, vµ nhiÒu dÞch vô mµ c¸p ®iÖn kh«ng thùc hiÖn ®−îc. - TÝnh chçng nhiÔu cao vµ b¶o mËt tèt lµ hai yªu cÇu rÊt quan träng trong th«ng tin. Ng−êi ta ®· tÝnh to¸n vÒ kinh tÕ khi sö dông hÖ thèng sîi quang ®Ó th«ng tin, thùc tÕ hiÖu qu¶ h¬n nhiÒu so víi sö dông c¸p ®iÖn. Bëi lÏ hÖ thèng rÊt bÒn, Ýt háng hãc, tån t¹i rÊt l©u, hiÖu qu¶ truyÒn tin l¹i lín. ThËm chÝ ngay c¶ c¸c m¹ch ®iÖn tho¹i trong chung c− còng cho thÊy hiÖu qu¶ kinh tÕ cña hÖ thèng. 3.2. §Æc ®iÓm cña ¸nh s¸ng trong th«ng tin sîi quang 3.2.1 Phæ ®iÖn tö ¸nh s¸ng dïng trong c¸c m¹ng sîi quang lµ mét lo¹i n¨ng l−îng ®iÖn tõ. N¨ng 51
l−îng nµy d−íi d¹ng sãng cã thÓ lan truyÒn trong ch©n kh«ng, kh«ng khÝ vµ xuyªn qua mét vµi d¹ng vËt liÖu nh− thñy tinh v.v… Mét thuéc tÝnh quan träng cña bÊt kú sãng n¨ng l−îng vµo lµ b−íc sãng λ. λ lµ kho¶ng c¸ch sãng lan truyÒn ®−îc trong mét chu kú T. TÊt c¶ c¸c sãng tõ gi¶i radio, sãng viba, radar, ¸nh s¸ng nh×n thÊy, tia X, tia gamma ®Òu lµ sãng ®iÖn tõ. TËp hîp tÊt c¶ sãng ®iÖn tõ, tõ b−íc sãng dµi ®Õn b−íc sãng ng¾n gäi lµ phæ ®iÖn tõ. TÊt c¶ chóng ®Òu lan truyÒn trong ch©nkh«ng víi vËn tèc C=300.000 km/s (chÝnh x¸c lµ 2,9979 x 108/s). Trong m«i tr−êng cã chiÕt suÊt khóc x¹ lµ n, th× vËn tèc ¸nh s¸ng sÏ lµ v=c/n; m«i tr−êng kh«ng khÝ coi chiÕt suÊt khóc x¹ n=1. Gi¶i sãng tõ 400nm ®Õn 700 nm lµ ¸nh s¸ng nh×n thÊy (1nm=10-9m). ¸nh s¸ng cã b−íc sãng lín gÇn 700nm cã mÇu ®á. C¸c sãng mµ m¾t kh«ng nh×n thÊy ®−îc dïng ®Ó truyÒn d÷ liÖu cã b−íc sãng lín h¬n 700nm mét chót, ®−îc gäi lµ hång ngo¹i. B−íc sãng ¸nh s¸ng dïng ®Ó truyÒn d÷ liÖu trong sîi quang lµ 850nm, 1310nm, 1550nm. C¸c b−íc sãng nµy truyÒn trong sîi quang tèt h¬n c¸c b−íc sãng kh¸c. 3.2.2 C¸ch lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang Sãng ®iÖn tõ ph¸t ra tõ mét nguån, chóng di chuyÓn theo mét ®−êng th¼ng. C¸c ®−êng th¼ng nµy ®i ra tõ nguån gäi lµ c¸c tia. C¸c tia s¸ng truyÒn th¼ng trong m«i tr−êng ®ång nhÊt (chiÕt suÊt n ®ång nhÊt) bÞ ph¶n x¹ hoÆc khóc x¹ t¹i biªn ng¨n c¸ch hai m«i tr−êng cã chiÕt suÊt n kh¸c nhau. Sù truyÒn th¼ng, khóc x¹ vµ ph¶n x¹ lµ 3 ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña ¸nh s¸ng. §Æc ®iÓm n÷a còng rÊt quan träng lµ vËn tèc truyÒn cña ¸nh s¸ng gi¶m khi chiÕt suÊt t¨ng. n2 n1 i r B A a) Tia tíi tia khóc x¹ b) HiÖn t−îng ph¶n x¹ H×nh 3.2 Tia s¸ng qua 2 miÒn cã chiÕt suÊt kh¸c nhau Gi¶ sö cã tia tíi A ®i tõ m«i tr−êng cã chiÕt suÊt lµ n1, qua m«i tr−êng cã chiÕt suÊt lµ n2 víi n1>n2. Khi qua biªn gi÷a hai m«i tr−êng, t¹i 0 nã sÏ bÞ lÖch h−íng t¹o ra tia khóc x¹ B. Gäi ϕi lµ gãc tíi, ϕt lµ gãc ph¶n x¹, theo ®Þnh luËt khóc x¹ ta cã: n1=sinϕi=n2sinϕt (3.1) v× n1>n2 nªn ϕt>ϕi NÕu t¨ng ϕi th× ϕt còng t¨ng, ϕi t¨ng ®Õn lóc ϕt=90o, th× sÏ x¶y ra hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn, tia s¸ng kh«ng cßn ®i vµo m«i tr−êng cã chiÕt suÊt n2 mµ bÞ ph¶n x¹ trë l¹i. Gãc tíi t−¬ng øng víi lóc b¾t ®Çu x¶y ra hiÖn t−îng toµn phÇn gäi lµ gãc tíi h¹n ϕc. Tõ (3.1) ta cã n1sinϕc=1 KÓ tõ ®©y tia tíi A t¹o ra tia ph¶n x¹ B víi gãc ph¶n x¹ ϕr=ϕi . H×nh 3.3 m« t¶ cÊu tróc sîi quang, bao gåm mét m«i tr−êng (chÊt ®iÖn m«i) gäi lµ lâi, lâi nµy ®−îc bao quanh b»ng mét chÊt ®iÖn m«i kh¸c, gäi lµ vá, cã chiÕt suÊt nhá h¬n chót Ýt so víi lâi. Trong hÖ thèng th«ng tin sîi quang, ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn theo suèt sîi quang giíi h¹n trong lâi v× cã hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn. 52
H×nh 3.3. ¸nh s¸ng truyÒn dÉn bÞ giíi h¹n trong lâi. 3.2.3 Nguån s¸ng sö dông trong th«ng tin sîi quang ¸nh s¸ng lµ sãng ngang dao ®éng vu«n gãc víi ph−êng truyÒn sãng. ¸nh s¸ng lan truyÒn trong m«i tr−êng ®ång nhÊt lµ sãng ®iÖn tõ cã c−êng ®é ®iÖn tr−êng vµ tõ tr−êng thay ®æi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi ph−¬ng sãng lan truyÒn. TËp hîp tÊt c¶ c¸c ®iÓm cã cïng mét c−êng ®é ®iÖn tr−êng t¹i mét thêi ®iÓm t¹o ra mÆt ®¼ng pha. ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang dùa trªn nguyªn t¾c ph¶n x¹ toµn phÇn gi÷a c¸c mÆt biªn. Muèn tån t¹i ®−îc, chóng ph¶i lµ nguån s¸ng kÕt hîp. §Ó hiÓu tÝnh kÕt hîp cña nguån s¸ng, ta xÐt mét sãng ngang lan truyÒn däc theo sîi d©y bÞ ghim cè ®Þnh ë hai ®Çu h×nh 3.4. Tõ h×nh 3.4 cho thÊy mét sãng bÞ giíi h¹n ë hai biªn, sau khi lÆp l¹i c¸c ph¶n x¹ c¸c sãng lan truyÒn theo h−íng ng−îc l¹i vµ chång lªn c¸c sãng kh¸c (h×nh 3.4.a vµ 3.4.b). HiÖn t−îng sãng nµy chång lªn sãng kia gäi lµ sù giao thoa. Trong c¸c tr−êng hîp nµy biªn ®é sãng ®−îc t¨ng lªn do giao thoa. NÕu gäi l lµ chiÒu dµi cña sîi d©y, tr−êng hîp h×nh 3.4.a t−¬ng øng víi l=λ/2, h×nh 3.5.b t−¬ng øng víi l=2λ/2. Cßn tr−êng hîp h×nh 3.4.c t−¬ng øng víi l≠nλ/2 (n=1,2,3…). C¸c sãng ph¶n x¹ kh«ng chång lªn nhau. Chóng cã pha dao ®éng kh¸c nhau t¹i c¸c ®iÓm trªn d©y. Chóng triÖt tiªu nhau ®Õn møc biªn ®é cña sãng thu ®−îc gi¶m tíi gi¸ trÞ 0. VËy khi tháa m·n ®iÒu kiÖn: l=nλ/2 (víi n=1,2,3…) (3.2) tøc lµ ®é dµi cña sîi d©y b»ng béi sè nguyªn lÇn nöa b−íc sãng th× sãng ®−îc duy tr× vµ t¹o ra sãng ®øng. C¸ch dao ®éng cña d©y t−¬ng øng víi mét sãng ®øng gäi lµ mét mode dao ®éng cña d©y. Hai ®Çu d©y (h×nh 3.4.a) cïng víi trung ®iÓm cña d©y (h×nh 3.4.b) gäi lµ nót sãng ®øng. T¹i c¸c nót nµy, biªn ®é cña dao ®éng lu«n b»ng 0 vµ c¸c nót kh«ng chuyÓn dÞch theo thêi gian. Diode ph¸t quang (LED) vµ laser diode(LD) t¹o nªn c¸c nguån s¸ng cïng pha nh©n t¹o, bëi v× sù ph¸t x¹ ¸nh s¸ng c−ìng bøc cña c¸c nguyªn tö cïng mét pha. ¸nh s¸ng mµ cã sãng cïng pha víi sãng kh¸c theo mÆt th¼ng ®øng víi ph−¬ng truyÒn sãng ®−îc gäi lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp kh«ng gian. ¸nh s¸ng do LED vµ LD t¹o ra lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp kh«ng gian, ®ãng vai trß rÊt quan träng, bëi v× sîi quang truyÒn t¶i tÝn hiÖu trªn mét mode truyÒn dÉn trong lâi chÞu ¶nh h−ëng cña giao thoa. ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ c¸c ®Ìn th«ng th−êng, kh«ng cã tÝnh kÕt hîp kh«ng gian, nªn kh«ng thÓ dïng cho th«ng tin quang. Ngoµi tÝnh kÕt hîp kh«ng gian, cßn mét yÕu tè kh¸c ®Ó t¨ng tÝnh kÕt hîp cña ¸nh s¸ng, ®ã lµ b−íc sãng duy nhÊt. Mét ¸nh s¸ng liªn tôc cã b−íc sãng ®¬n ®−îc coi lµ kÕt hîp trong miÒn thêi gian. ¸nh s¸ng cã tÝnh kÕt hîp ë miÒn thêi gian, hiÖn t−îng giao thoa cµng t¨ng thªm. 53
C¸c ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ c¸c ®Ìn ®iÖn th−êng lµ ¸nh s¸ng tr¨ng kh«ng ®¬n s¾c (gåm 7 mµu) nªn kh«ng cã tÝnh kÕt hîp thêi gian. ¸nh s¸ng cã tÝnh kÕt hîp c¶ miÒn kh«ng gian vµ thêi gian chÝnh lµ ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ laser. Kh«ng mét nguån s¸ng nµo trong tù nhiªn cã tÝnh kÕt hîp vÒ kh«ng gian, thêi gian nh− ¸nh s¸ng cña laser. H¬n n÷a, khi ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang, do sù nhiÔm x¹, c¸c tia s¸ng cã xu h−íng táa ra. Dïng tia laser cho qua mét thÊu kÝnh, cã møc tËp trung rÊt cao, thuËn lîi khi ®−a ¸nh s¸ng vµo c¸p sîi quang cã ®−êng kÝnh nhá. C¸c tÝn hiÖu trong th«ng tin quang ngµy nay lµ c¸c tÝn hiÖu ®iÒu biªn (thay ®æi c−êng ®é s¸ng). ViÖc chÕ t¹o ®−îc c¸c LD cã tÝnh kÕt hîp thêi gian cao, cã thÓ ®−îc thùc hiÖn ®iÒu pha, t¹o ra c«ng nghÖ th«ng tin dung l−îng siªu lín. D ng sóng thu ư c do ch ng ch t a) phương th c cơ b n b) d ng sóng thu ư c do ch ng ch t D ng sóng thu ư c do ch ng ch t 3 1 3 1 2 2 Sóng i v T i i m bu c ch t, bên ph i sóng ưa t i b lo i Sóng i v tr do có hi n tư ng bên trái ph n x c) trư ng h p không t o ra sóng ng H×nh 3.4. Sãng ®øng sinh ra ë sîi d©y 2 ®Çu cè ®Þnh 3.3 Sîi quang 3.3.1 Sîi quang vµ c¸ch lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang Sîi quang 54
Sîi quang lµ sîi m¶nh dÉn ¸nh s¸ng, bao gåm hai chÊt ®iÖn m«i trong suèt kh¸c nhau (®iÖn m«i nh− thñy tinh hoÆc nhùa). Mét phÇn (n»m gi÷a sîi) cho ¸nh s¸ng truyÒn trong ®ã gäi lµ lâi, phÇn cßn l¹i lµ líp nh− bao quanh lâi. Sîi quang ®−îc cÊu t¹o sao cho ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn dÉn chØ trong lâi sîi, b»ng ph−¬ng ph¸p sö dông hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn. HiÖn t−îng nµy ®−îc t¹o nªn do cÊu tróc líp phñ cã chiÕt suÊt nhá h¬n lâi kho¶ng (0,2÷0,3). §−êng kÝnh líp phñ kho¶ng 0,1 mm, cßn lâi cã ®−êng kÝnh nhá h¬n nhiÒu, cì tõ 10 ®Õn 60 µm. So víi b−íc sãng truyÒn t¶i, nã lín h¬n kho¶ng vµi chôc lÇn. §−êng kÝnh nµy ®−îc x¸c ®Þnh tïy theo yªu cÇu truyÒn dÉn vµ ®Æc tÝnh c¬ häc. §−êng lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang ¸nh s¸ng tõ nguån ph¸t quang bÞ khuÕch t¸n do nhiÔu x¹. Muèn ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang cÇn ph¶i ®−îc tËp trung l¹i. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ ¸nh s¸ng tËp trung ®Òu cã thÓ ®−a vµo sîi mµ chØ mét phÇn cã gãc tíi n»m trong mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh míi cã thÓ ®−a vµo. H×nh 3.5 Gãc nhËn cña sîi quang T¹i ®iÓm ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang, chia thµnh 3 m«i tr−êng liÒn nhau, cã chiÕt suÊt kh¸c nhau. §ã lµ m«i tr−êng kh«ng khÝ, lâi vµ líp phñ, t−¬ng øng víi chiÕt suÊt n0=1, n1, n2. Gäi gãc nhËn lín nhÊt lµ θmax, lµ gãc më ®èi víi tia tíi sè (2) lµ tia t¹o ra tia tíi h¹n, cã gãc tíi h¹n θc (t¹i mÆt ph©n c¸ch lâi vµ líp phñ). T¹i biªn cña kh«ng khÝ vµ lâi, lâi vµ líp phñ, theo ®Þnh luËt khóc x¹ cã: sinθmax=n1θc n2 sin(90 o − θ c ) = cos θ c = n1 v× n1≈n2, gãc më lín nhÊt sÏ lµ: (3.3) sin θ max = n12 − n 2 = n1 2∆ 2 n1 − n 2 Víi ∆ = lµ ®é lÖch chiÕt suÊt t−¬ng ®èi. n1 sinθmax cho ta biÕt ®iÒu kiÖn ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang. Nã lµ th«ng sè c¬ b¶n quyÕt ®Þnh ®Õn hiÖu suÊt ghÐp nèi gi÷a nguån s¸ng vµ sîi quang: vÝ dô: n1=1,475; n2=1,46 (®é lÖch chiÕt suÊt t−¬ng ®èi lµ 1%) th× sinθmax=0,21 NÕu biÕt ®−êng kÝnh lâi vµ sinθmax, th× x¸c ®Þnh ®−îc l−îng ¸nh s¸ng vµo lâi sîi. 55
3.3.2. Mode lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang C¸c tia s¸ng ®−a vµo sîi quang víi c¸c gãc n»m trong gãc më lín nhÊt cña sîi sÏ ®−îc truyÒn däc theo lâi sîi b»ng c¸ch lÆp l¹i c¸c ph¶n x¹ toµn phÇn t¹i biªn cña lâi vµ líp phñ. Nh−ng gãc ph¶n x¹ t¹i biªn ph¶i tháa m·n c¸c ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh, míi cã giao thoa sãng ¸nh s¸ng. Thùc tÕ, lâi sîi quang cã cÊu tróc h×nh trô, nh−ng ®Ó tiÖn kh¶o s¸t, ta coi chóng lµ h×nh èng vu«ng. Sù ph¶n x¹ t¹i biªn cã thÓ quan s¸t ®−îc qua ®−êng ®i cña tia s¸ng h×nh. V× ph©n bè ®iÖn vµ tõ cã d¹ng gièng nhau, ta chØ xÐt ph©n bè ®iÖn tr−êng vµ suy ra tõ tr−êng t−¬ng øng. Khi xÐt ®Õn mÆt ®¼ng pha cña ®iÖn tr−êng cã mét sè mÆt ®¼ng pha t−¬ng øng víi ¸nh s¸ng tíi vµ mét sè t−¬ng øng víi sãng ph¶n x¹, chóng chång lªn nhau h×nh 3.5.b. V× vËy ¸nh s¸ng tíi vµ ph¶n x¹ giao thoa nhau. xa cã c−êng ®é ®iÖn tr−êng ë h−íng biªn biÕn ®æi mét l−îng b¨ng béi n cña π trong mét chu kú, t¹i chu kú nµy ¸nh s¸ng ®i qua kho¶ng c¸ch n λ /2 (n=1,2,3...) Tr¸i l¹i, víi nh÷ng tia s¸ng cã gãc θ n»m trong kho¶ng θ 0 < θ < θ1 th× kh«ng t¹o ra sãng ®øng. Bëi vËy c¸c gãc ph¶n x¹ cho phÐp ¸nh s¸ng truyÒn trong sîi quang bÞ giíi h¹n trong mét sè gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh. §−êng truyÒn cña ¸nh s¸ng, t¹o cho ¸nh s¸ng lan truyÒn ®−îc trong sîi quang, t−¬ng øng víi gãc ph¶n x¹ x¸c ®Þnh, còng nh− ph©n bè ®iÖn tr−êng x¸c ®Þnh ®−îc gãc lµ mode lan truyÒn. Mode lan truyÒn lµ con ®−êng mµ tia s¸ng cã thÓ theo khi ®i trong sîi. Sè l−îng c¸c mode lan truyÒn bÞ giíi h¹n do ®iÒu kiÖn ph¶n x¹ toµn phÇn vµ ph©n bè ®iÖn tr−êng x¸c ®Þnh. C¸c mode cã tªn lµ lan truyÒn bËc 0, bËc 1, bËc 2 vµ bËc (N-1), theo tr×nh tù b¾t ®Çu tõ gãc θ nhá nhÊt. 3.3.3 Sè l−îng mode lan truyÒn vµ b−íc sãng c¾t NÕu gäi sè mode lan truyÒn trong sîi quang lµ N, th× mode lan truyÒn bËc cao nhÊt lµ (N-1), t−¬ng øng víi gãc ph¶n x¹ gÇn b»ng gãc tíi h¹n. NÕu gäi gãc tíi h¹n lµ θ c th× sè l−îng mode lan truyÒn lín nhÊt N ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn λ 2a sin θ c ≥ N 2 [N = 0,1,...( N − 1)] (3.4) Trong ®ã θ c ®−îc tÝnh theo (3.1) n12 − n2 2 sin θ max sin θ c = = n1 n1 λ0 v×: λ= n1 4a nªn: (3.5) n12 − n2 2 N≤ λ0 Tõ (3.5) cho thÊy sè mode lan truyÒn phô thuéc vµo kÝch th−íc a cña lâi, b−íc sãng lan truyÒn λ0 vµ sù chªnh lÖch vÒ chiÕt suÊt n1, n2. Khi tÝnh theo biÓu thøc (3.5), sÏ lÊy N lµ sè nguyªn gÇn nhÊt víi kÕt qu¶. VÝ dô 1: cho n1=1,475; n2=1,46; 2a = 50 µm ; λ = 1,3µm sÏ tÝnh ®−îc N=16 56
Sîi quang cã sè l−îng mode lan truyÒn nhiÒu (lín h¬n 1) nh− vËy ®−îc gäi lµ sîi ®a mode. VÝ dô 2: cho n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm ; λ = 1,3µm th× N=1. Tr−êng hîp nµy chØ tån t¹i mét mode lan truyÒn bËc 0, sîi quang chØ cã mét mode lan truyÒn gäi lµ sîi ®¬n mode. §èi víi mét sîi quang ®· cho, tøc lµ cã n1, n2, vµ a x¸c ®Þnh, sè mode lan truyÒn N sÏ phô thuéc vµo b−íc sãng λ . Do vËy sîi quang cã thÓ ®−îc sö dông nh− sîi ®¬n mode ë b−íc sãng nµy, th× ®èi víi b−íc sãng ng¾n h¬n, nã kh«ng cßn lµ sîi ®¬n mode n÷a. B−íc sãng nhá nhÊt mµ t¹i ®ã sîi quang lµm viÖc nh− sîi ®¬n mode ®−îc gäi lµ b−íc sãng c¾t vµ ký hiÖu λ c . λc ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh sau: (3.6) λc = 4a n12 − n 2 2 TÝnh to¸n trªn ¸p dông cho tr−êng hîp èng dÉn sãng lµ vu«ng (ph¼ng), trong thùc tÕ èng dÉn sãng lµ h×nh trô, th×: 2π (3.7) λc = .a n1 − n 2 2,405 B−íc sãng c¾t lµ mét trong nh÷ng th«ng sè c¬ b¶n, ®Æc tr−ng cho sîi quang ®¬n mode. VÝ dô 3: sîi quang cã c¸c th«ng sè: n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm sÏ cã λc = 1,22 µm Sîi quang nµy kh«ng thÓ sö dông nh− mét sîi ®¬n mode víi c¸c b−íc sãng λc < 1,22µm . 3.4. Ph©n lo¹i vµ cÊu tróc sîi quang 3.4.1 Ph©n lo¹i sîi quang Sîi quang ®−îc ph©n lo¹i theo 3 c¸ch sau ®©y: Theo vËt liÖu sö dông, theo mode truyÒn dÉn, theo ph©n bè chiÕt suÊt. Ph©n lo¹i theo vËt liÖu ®iÖn m«i: Theo vËt liÖu ®iÖn m«i sö dông th× sîi quang gåm 3 lo¹i: Sîi quang th¹ch anh Sîi quang th¹ch anh kh«ng nh÷ng chØ chøa th¹ch anh nguyªn chÊt (SiO2), mµ cßn cã c¸c t¹p chÊt thªm vµo nh− Ge, B vµ F v.v... ®Ó lµm thay ®æi ®ä chiÕt suÊt khóc x¹. Sîi quang thuû tinh ®a vËt liÖu, chøa thµnh phÇn chñ yÕu lµ soda lime, thuû tinh hoÆc thñy tinh boro-silicat v.v... Sîi quang b»ng nhùa: vËt liÖu s¶n xuÊt sîi quang b»ng nhùa, silicon resin, acrelic resin (tøc lµ polymethyl metha crylate: PMMA), th−êng ®−îc sö dông nhiÒu . §èi víi m¹ng l−íi viÔn th«ng, sîi quang thuû tinh th¹ch anh ®−îc dïng nhiÒu nhÊt, bëi v× nã cã kh¶ n¨ng cho s¶n phÈm cã ®é suy hao nhá, c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn æn ®Þnh trong thêi gian dµi. C¸c sîi b»ng nhùa th−êng ®−îc sö dông ë nh÷ng n¬i cÇn truyÒn dÉn cù ly ng¾n, khã ®i c¸p b»ng m¸y mãc, thuËn tiÖn trong sö dông l¾p ®Æt thñ c«ng (dÔ hµn, kh«ng ph−¬ng h¹i khi bÞ bÎ cong) mÆc dï lo¹i nµy cã ®Æc tÝnh truyÒn dÉn kÐm. 57
Ph©n lo¹i theo mode lan truyÒn Nh− ph©n tÝch ë trªn, mét sîi quang x¸c ®Þnh, ë b−íc sãng dµi, nã sÏ ho¹t ®éng theo mode lan truyÒn ®¬n mode, nh−ng ë b−íc sãng ng¾n h¬n b−íc sãng c¾t λc , sîi quang l¹i ho¹t ®éng nh− sîi ®a mode. V× vËy ®øng vÒ mÆt nguyªn t¾c kh«ng thÓ coi sîi nµo lµ ®a mode, sîi nµo lµ ®¬n mode. Tuy nhiªn, do ¸nh s¸ng hång ngo¹i sö dông trong th«ng tin s«i ë 3 b−íc sãng: 850nm, 1310nm, 1550nm (1nm=10-9m). MÆt kh¸c ®−êng kÝnh lâi sîi quang còng n»m trong mét kho¶ng tõ 8,5 µm ®Õn 100 µm . V× vËy trong thùc tÕ, ng−êi ta chia sîi quang thµnh 2 lo¹i: ®¬n mode vµ ®a mode. Sîi quang ®a mode Nh− ta ®· biÕt phÇn cña mét sîi quang , mµ qua ®ã ¸nh s¸ng di chuyÓn ®−îc gäi lµ lâi cña sîi. C¸c tia s¸ng chØ cã thÓ ®i vµo trong lâi, nÕu gãc cña nã n»m trong ph¹m vi gãc tíi h¹n cña sîi. Khi tia s¸ng ®· vµo trong lâi, cã mét sè ®−êng ®i mµ tia s¸ng cã thÓ theo c¸c ®−êng ®i nµy ®−îc gäi lµ mode. NÕu ®−êng kÝnh cña lâi ®ñ lín, ®Ó cã nhiÒu ®−êng ®i, mµ tia s¸ng cã thÓ theo th× sîi quang nh− vËy ®−îc gäi lµ sîi ®a mode. Sîi ®¬n mode cã ®−êng kÝnh ®ñ nhá, sao cho chØ cho phÐp tia s¸ng di chuyÓn theo mét con ®−êng duy nhÊt bªn trong sîi. Th«ng th−êng cã 5 phÇn cÊu t¹o thµnh c¸p sîi quang. PhÇn lâi cña sîi lµ phÇn tö truyÒn dÉn ¸nh s¸ng n»m ë gi÷a cña c¸p. TÊt c¶ ¸nh s¸ng ®Òu ®i qua lâi. Lâi ®−îc lµm b»ng nhùa hoÆc thñy tinh. Bao quanh lâi lµ líp phñ lµm b»ng thñy tinh hoÆc nhùa nh−ng víi hÖ sè chiÕt suÊt khóc x¹ nhá h¬n. C¸p quang ®a mode tiªu chuÈn lµ lo¹i ®−îc dïng phæ biÕn trong c¸c LAN. C¸p quang ®a mode dïng sîi cã ®−êng kÝnh lâi lµ 62,5 hay 50 micron vµ líp phñ cã ®−êng kÝnh lµ 125 micron. C¸c lo¹i nµy ®−îc gäi lµ 62,5/125 hay 50/125. Nguån s¸ng sö dông víi sîi ®a mode lµ nguån ph¸t ra tõ diode ph¸t quang (LED) hång ngo¹i, hay laser bøc x¹ bÒ mÆt. LED rÎ h¬n vµ an toµn h¬n laser, nh−ng LED kh«ng thÓ cho phÐp truyÒn ¸nh s¸ng ®i xa b»ng laser. Sîi ®a mode cã thÓ truyÒn tÝn hiÖu ®i xa ®Õn 2 km. Sîi quang ®a mode l¹i chia lµm hai lo¹i: Lo¹i cã chiÕt suÊt thay ®æi râ rµng gi÷a lâi vµ líp phñ thµnh bËc vµ lo¹i cã chiÕt suÊt thay ®æi dÉn tõ t©m lâi ra ®Õn biªn giíi líp phñ. ChiÕt suÊt miÒn gÇn t©m lâi lµ lín nhÊt, gi¶m dÇn khi cµng ra biªn. §èi víi sîi ®a mode cã chiÕt suÊt nh¶y bËc t¹i biªn gi÷a lâi vµ líp phñ: H×nh 3.6a Sîi quang ®a mode cã n nhÈu bËc v tia s¸ng truyÒn trong nã Trong tr−êng hîp nµy c¸c tia s¸ng 1,2,3 ph¸t ra tõ mét xung ¸nh s¸ng hÑp ®i theo 3 ®−êng kh¸c nhau. §−êng cña tia 1 Ýt gÊp khóc nhÊt, nªn ®Õn ®Ých víi ®é dµi ng¾n nhÊt, nªn ®Õn sím nhÊt. C¸c tia 2 vµ 3 ®i theo ®−êng gÊp khóc nhiÒu h¬n, qu·ng ®−êng ®Õn ®Ých xa h¬n, nªn ®Õn chËm h¬n. Tia 3 sÏ ®Õn ®Ých chËm nhÊt. KÕt qu¶ lµ tõ 58
xung ¸nh s¸ng hÑp tõ nguån ph¸t ®i, ë ®Ých sÏ nhËn ®−îc xung cã ®é réng lín h¬n vµ bÞ biÕn d¹ng. §èi víi sîi ®a mode, cã chiÕt suÊt, gi¶m dÇn tõ t©m lâi ra biªn: CÊu tróc nµy ®−îc m« ta cô thÓ ë h×nh 3.6b: H×nh 3.6b Lâi cã chiÕt suÊt thay ®æi dÇn v ®−êng tia s¸ng gi¶ sö tia 1 t−¬ng øng víi mode thÊp nhÊt, ph¶n x¹ t¹i miÒn gÇn trôc t©m cña lâi. Tia 2 cã gãc më lín h¬n, kh«ng ph¶n x¹ t¹i líp trong mµ ph¶n x¹ t¹i líp 2. Tia 3 cã gãc më lín h¬n n÷a, sÏ ph¶n x¹ t¹i biªn cña lâi vµ líp phñ. Ta biÕt r»ng tèc ®é lan truyÒn sãng tØ lÖ nghÞch víi chiÕt suÊt n. Tia 1 ®i qu·ng ®−êng ng¾n nhÊt, nh−ng truyÒn trong mäi tr−êng chiÕt suÊt lín nhÊt, tèc ®é truyÒn nhá nhÊt. Tia 3 ®i qu·ng ®−êng xa nhÊt nh−ng tèc ®é truyÒn lín nhÊt. NÕu biÕn ®æi chiÕt suÊt thÝch hîp th× c¸c tia sÏ ®Õn ®Ých cïng mét thêi gian mÆc dï ®i qu·ng ®−êng kh¸c nhau. D¹ng chiÕt suÊt thay ®æi ph©n bè theo d¹ng gÇn nh− parabol, cã ®é lÖch thêi gian gi÷a c¸c tia lµ nhá nhÊt. C¸c sîi ®a mode cã vá bäc mµu da cam, nh−ng ®«i khi còng cã mµu kh¸c. Sîi ®¬n mode Sîi ®¬n mode cã c¸c thµnh phÇn cÊu thµnh gièng nh− sîi ®a mode. Vá cña sîi ®¬n mode th−êng cã mµu vµng. Kh¸c biÖt chñ yÕu gi÷a hai lo¹i sîi ®¬n vµ ®a mode lµ sîi ®¬n mode chØ cho mét mode s¸ng lan truyÒn qua lâi cã ®−êng kÝnh nhá h¬n rÊt nhiÒu. Lâi cña sîi ®¬n mode cã ®−êng kÝnh lµ 9 µm vµ líp phñ 125 µm , víi cÊu tróc nµy ®−îc coi lµ 9/125. Nguån s¸ng sö dông víi sîi ®¬n mode chñ yÕu lµ laser hång ngo¹i. Tia s¸ng ®i vµo lâi víi gãc rÊt hÑp. C¸c xung ¸nh s¸ng mang d÷ liÖu trong sîi ®¬n mode ®−îc truyÒn chñ yÕu theo mét ®−êng gÇn th¼ng ngay vµo gi÷a lâi. §iÒu nµy gia t¨ng rÊt nhiÒu vÒ tèc ®é vµ cù ly th«ng tin. Víi kÕt cÊu ®ùac biÖt nh− vËy, sîi ®¬n mode cã tèc ®é truyÒn sè liÖu cao vµ cù ly th«ng tin lín h¬n nhiÒu so víi sîi ®a mode. Sîi ®¬n mode cã thÓ truyÒn sè liÖu xa hµng chôc km. Nh−ng laser vµ sîi ®¬n mode ®¾t h¬n LED vµ sîi ®a mode. C¸p sîi quang cã 5 thµnh phÇn cÊu thµnh, bao gåm: lâi, líp phñ, líp ®Öm, vËt liÖu gi÷ bÒn vµ vá c¸p b¶o vÖ. Lâi vµ líp phñ ®Òu lµm b»ng thñy tinh, hoÆc nhùa. Xung quanh líp phñ lµ vËt liÖu ®Öm, th−êng lµ nhùa nh»m b¶o vÒ cho lâi vµ líp phñ kh«ng bÞ h− háng. Bao quanh líp ®Öm lµ vËt liÖu bÒn ®Ó tr¸nh sù gi·n c¸p khi khi kÐo sîi c¸p ®Ó l¾p ®Æt. VËt liÖu bÒn th−êng lµ kevlar. Vá bäc ngoµi nh»m chèng sù trÇy x−íc vµ c¸c h− háng kh¸c. 3.4.2 C¸c tham sè c¬ b¶n cña sîi quang C¸c tham sè c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc sîi quang lµ ®−êng kÝnh lâi sîi, ®−êng kÝnh 59
líp bao (®−êng kÝnh vá) vµ khÈu ®é sè (NA) v.v... Chóng ®−îc gäi lµ th«ng sè cÊu tróc cña sîi quang. C¸c th«ng sè nµy ¶nh h−ëng ®Õn mét sè ®Æc tÝnh kh¸c nhau cña sîi quang nh− lµ suy hao quang, ®é réng b¨ng truyÒn dÉn, søc bÒn c¬ khÝ, bé ®Êu nèi sîi quang, v.v... Thªm vµo ®ã, chóng ta cßn cã c¸c th«ng sè phô kh¸c nh− tØ sè kh«ng ®ång t©m, tØ sè kh«ng trßn. Tuy nã ¶nh h−ëng Ýt ®Õn ®Æc tÝnh truyÒn dÉn nh−ng chóng l¹i ¶nh h−ëng lín ®Õn suy hao hµn nèi cña sîi quang. Cã bèn th«ng sè x¸c ®Þnh cÊu tróc cña c¸c lo¹i sîi quang ®a mode lµ ®−êng kÝnh lâi sîi, ®−êng kÝnh líp vá, khÈu ®é sè (NA) vµ d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt khóc x¹ (xem h×nh 3.7). Khi quyÕt ®Þnh gi¸ trÞ c¸c th«ng sè nµy, ta ph¶i chó ý ®Õn c¸c ¶nh h−ëng cña mçi th«ng sè ®Õn c¸c tÝnh chÊt cña sîi quang nh− h×nh 3.8. H×nh 3.8 C¸c th«ng sè cÊu tróc cña sîi ®a mode H×nh 3.8 C¸c ®Æc tr−ng cña th«ng sè cÊu tróc sîi quang T−¬ng ph¶n víi cÊu tróc cña c¸c sîi quang ®a mode ®−îc x¸c ®Þnh bëi bèn th«ng sè ®Ò cËp tíi ë trªn, cÊu tróc cña sîi quang ®¬n mode ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ba th«ng sè nh− sau: th«ng sè tr−êng mode, ®−êng kÝnh líp vá vµ b−íc sãng c¾t. Lý do ®Ó gi¶i thÝch v× sao chóng ta sö dông tham sè tr−êng mode thay v× ®−êng kÝnh lâi sîi cho th«ng sè cÊu tróc sîi quang ®¬n mode ®−îc tr×nh bµy d−íi d©y: §−êng kÝnh tr−êng mode lµ mét ®−êng kÝnh cña mét diÖn tÝch trßn trªn mét phÇn 60
r×a c¾t ngang cña sîi cã mËt ®é ¸nh s¸ng 1/e (e lµ hÖ sè logarit tù nhiªn b¨ng 2.71828) ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt (th−êng ®¹t ®−îc t¹i t©m lâi sîi) theo ph©n bè mËt ®é ¸nh s¸ng nh− trªn h×nh 3.7. H×nh 3.9 §−êng kÝnh tr−êng mode V× sîi quang ®¬n mode cã ®−êng kÝnh lâi vµ chªnh lÖch chiÕt suÊt khóc x¹ nhá, do vËy viÖc x¸c ®Þnh mét c¸ch râ rµng biªn cña líp lâi vµ vá theo ph−¬ng ph¸p quang rÊt khã kh¨n. §Ó thuËn tiÖn, chóng ta sö dông ®−êng kÝnh mode, mét th«ng sè b¾t nguån tõ ph©n bè n¨ng l−îng ¸nh s¸ng. Lo¹i Sîi quang chiÕt suÊt biÕn Sîi quang ®¬n mode C¸c chØ sè ®æi B−íc sãng sö dông a) 0.85 µm a) 1.3 µm b) 1.3 µm b) 1.55 µm §−êng kÝnh lâi 50 µm ± 6% §−êng kÝnh tr−êng mode 900~µm ± 10% B−íc sãng c¾t 1.10~1.28 µm ± 2.4% §−êng kÝnh líp vá 125 µm ± 2.4% 125 µm ± 2.4% Tû lÖ ®ång t©m hoÆc sè 6% hoÆc Ýt h¬n 0.5~3.0 µm ®ång t©m Tû lÖ kh«ng trßn cña lâi 6% hoÆc Ýt h¬n Tû lÖ kh«ng trßn cña vá 2% hoÆc Ýt h¬n 2% hoÆc Ýt h¬n KhÈu ®é sè (NA) a) 0.18~0.24±0.02 (0.85 µm) b) 0.15~0.30±0.02 (1.3 µm) 3.5. C¸c ®Æc tÝnh sîi quang 3.5.1 Suy hao cña sîi quang §Ó x¸c ®Þnh tèc ®é truyÒn dÉn vµ kho¶ng c¸ch tr¹m lÆp cña hÖ thèng th«ng tin quang sîi, cã hai tham sè ph¶i nghiªn cøu ®ã lµ suy hao quang vµ ®é réng b¨ng truyÒn dÉn. §o suy hao quang ®Ó x¸c ®Þnh suy hao c«ng suÊt ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang. NÕu suy hao nhá h¬n th× sÏ cho phÐp kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn tÝn hiÖu lín h¬n. Suy hao quang cã thÓ t¹m ph©n chia thµnh hai lo¹i, thø nhÊt lµ suy hao thuÇn tuý sîi quang, vµ thø hai lµ c¸c suy hao phô khi l¾p ®Æt vµ vËn hµnh hÖ thèng. C¸c nguyªn nh©n g©y suy hao ®−îc gi¶i thÝch nh− sau: 61
Suy hao hÊp thô: Gièng nh− mét chiÕc rÌm ®en cã thÓ hÊp thô ¸nh s¸ng rÊt tèc, ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang bÞ hÊp thô do c¸c vËt liÖu sîi vµ ®−îc biÕn ®æi thµnh nhiÖt g©y nªn suy hao quang mµ kh«ng lät ¸nh s¸ng ra ngoµi. Suy hao nµy gäi lµ suy hao hÊp thô. Nãi chung, suy hao hÊp thô ®−îc ph©n chia thµnh hai lo¹i, mét lµ do b¶n th©n sîi quang, thø hai lµ do cã t¹p chÊt trong thuû tinh lµm sîi quang. Trong suy hao thuÇn tuý b¶n th©n vËt liÖu thñy tinh cã suy hao hÊp thô cùc tÝm vµ suy hao hÊp thô hång ngo¹i. Suy hao hÊp thô cùc tÝm cã ®Ønh hÊp thô ë b−íc sãng kho¶ng 0,1 µm , trong khi ®ã hÊp thô hång ngo¹i ë kho¶ng b−íc sãng 10 µ m. Do c¸c lo¹i suy hao nµy gi¶m rÊt nhanh t¹i c¸c b−íc sãng kh«ng ph¶i b−íc sãng hÊp thô ®Ønh, do vËy, suy hao ®¹t gi¸ trÞ bÐ nhÊt trong gi¶i b−íc sãng tõ 1,0 µm ®Õn 1,6 µm . Trong nh÷ng giai ®o¹n ®Çu ph¸t triÓn sîi quang, nh÷ng t¹p chÊt g©y nªn c¸c suy hao lµ c¸c ion kim lo¹i nh− ion s¾t, ®ång v.v... Tuy nhiªn, hiÖn nay kü thuËt lµm gi¶m suy hao ®· cã nh÷ng tiÕn bé v−ît bËc, b©y giê chñ yÕu lµ ion (OH-). Chóng ta cã thÓ nãi r»ng lÞch sö ph¸t triÓn sîi quang víi suy hao thÊp lµ sù lµm gi¶m suy hao hÊp thô do ion kim lo¹i vµ ion hydroxyl g©y nªn. Suy hao t¸n x¹ rayleigh T¸n x¹ rayleigh lµ hiÖn t−îng mµ ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ theo c¸c h−íng kh¸c nhau khi nã gÆp ph¶i mét vËt nhá cã kÝch th−íc kh«ng qu¸ lín so víi b−íc sãng cña ¸nh s¸ng. BÇu trêi xanh vµ c¸c ®¸m m©y ®á trªn bÇu trêi lóc hoµng h«n ®Òu do hiÖn t−îng t¸n x¹ reyleigh g©y ra. HiÖn t−îng t¸n x¹ ¸nh s¸ng ®−îc ®Æt theo tªn nhµ vËt lý ®· gi¶i thÝch hiÖn t−îng nµy mét c¸ch tØ mØ. §Ó s¶n xuÊt sîi quang, tõ mét lâi thñy tinh trßn cã ®−êng kÝnh tõ mét vµi mm ®Õn vµi chôc mm gäi lµ ph«i (vËt liÖu mÑ cña sîi quang) ®−îc nung nãng lªn ë nhiÖt ®é kho¶ng 2.000 ®é C vµ ®−îc kÐo ch¶y thµnh sîi. T¹i thêi ®iÓm nµy, thñy tinh sîi quang ®−îc lµm l¹nh ®ét ngét tõ nhiÖt ®é cao xuèng nhiÖt ®é phßng kho¶ng 20 ®é C. Sù lµm l¹nh ®ét ngét nµy t¹o ra sù kh«ng ®ång ®Òu vÒ mËt ®é vËt liÖu tøc lµ sù kh«ng ®ång ®Òu ë hÖ sè khóc x¹ t¹o nªn do vËt liÖu cßn cã qu¸n tÝnh ë nhiÖt ®é cao trong sîi quang. Sù duy tr× kh«ng ®ång ®Òu nµy cña chiÕt suÊt khóc x¹ lµ nguyªn nh©n g©y nªn t¸n x¹ rayleigh trong sîi quang, lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n suy hao riªng cña sîi quang vµ lµ mét qu¸ tr×nh kh«ng thÓ tr¸nh ®−îc. §é lín suy hao do t¸n x¹ rayleigh tØ lÖ nghÞch víi mò bèn b−íc sãng bëi vËy khi ¸nh s¸ng lan truyÒn cã b−íc sãng dµi h¬n th× suy hao trë nªn nhá ®i. VÝ dô, suy hao do t¸n x¹ rayleigh vµo kho¶ng 1dB/km ®èi víi ¸nh s¸ng ë b−íc sãng 1 µm , nh−ng khi lan truyÒn ë b−íc sãng 1,6 µm th× suy hao vµo kho¶ng 0,1 dB/km. V× ®é lín cña t¸n x¹ rayleigh tØ lÖ thuËn víi nhiÖt ®é nung nãng sîi khi kÐo sîi, do vËy nÕu gi¶m nhiÖt ®é khi kÐo th× t¸n x¹ rayleigh sÏ trë nªn nhá h¬n. VÝ dô, sîi quang thñy tinh fluoride cã thÓ kÐo ®−îc ë nhiÖt ®é thÊp vµo kho¶ng 700 ®é C, do vËy t¸n x¹ rayleigh cã thÓ gi¶m xuèng 1/3 so víi thuû tinh th¹ch anh th«ng th−êng. H¬n n÷a, c¸c sîi thñy tinh fluoride cã d¶i hÊp thô hång ngo¹i dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc sãng dµi h¬n. ¦u thÕ nµy cïng víi suy hao t¸n x¹ rayleigh thÊp sÏ cho ta mét sîi quang suy hao siªu thÊp 10-3dB/km. Suy hao t¸n x¹ do cÊu tróc sîi quang kh«ng ®ång nhÊt g©y ra C¸c sîi quang thùc tÕ kh«ng thÓ cã tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang trßn lý t−ëng vµ cÊu 62
tróc h×nh trô ®Òu däc suèt vá vµ lâi sîi. Nãi chung, t¹i bÒ mÆt biªn gi÷a lâi vµ vá sîi ®«i chç cã sù gå ghÒ vµ kh«ng nh½n. Nh÷ng chç gå ghÒ nh− vËy trªn bÒ mÆt biªn g©y nªn ¸nh s¸ng t¸n x¹ vµ mét vµi chç ph¸t x¹ ¸nh s¸ng ra ngoµi. Nh÷ng chç kh«ng b»ng ph¼ng nµy g©y nªn suy hao quang, nã lµm t¨ng suy hao quang bëi v× cã c¸c ph¶n x¹ bÊt b×nh th−êng ®èi víi ¸nh s¸ng lan truyÒn. Lo¹i suy hao nµy, ng−êi ta gäi chung lµ suy hao t¸n x¹ do cÊu tróc kh«ng ®ång nhÊt cña sîi quang. Suy hao bøc x¹ g©y nªn do bÞ uèn cong C¸c suy hao bøc x¹ g©y nªn do bÞ uèn cong lµ c¸c suy hao sinh ra khi sîi bÞ uèn cong. Víi mét sîi quang bÞ uèn cong, c¸c tia ¸nh s¸ng cã c¸c gãc tíi v−ît qu¸ gãc giíi h¹n bÞ ph¸t x¹ ra ngoµi vá g©y nªn suy hao. Bëi vËy, trong viÖc thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang ph¶i chó ý ®Õn viÖc gi÷ b¸n kÝnh cong sao cho lín h¬n mét giíi h¹n cho phÐp x¸c ®Þnh, vÝ dô nh− lµ 40mm. Suy hao vi cong Khi sîi quang chÞu nh÷ng lùc nÐn kh«ng ®ång nhÊt th× trôc cña sîi quang bÞ uèn cong ®i mét l−îng nhá (vµo kho¶ng vµi µm ), lµm t¨ng suy hao sîi quang. Suy hao nµy gäi lµ suy hao cong vi l−îng. Trong viÖc thiÕt kÕ cÊu tróc sîi quang, ng−êi ta chó ý ®Õn s¶n xuÊt cÊu tróc cña sîi ®Ó b¶o vÖ sîi chèng l¹i c¸c ¸p lùc bªn ngoµi (vÝ dô nh− c¸c líp vá ®Öm). Suy hao hµn nèi ViÖc hµn nèi sîi quang t−¬ng tù nh− viÖc nèi c¸c ®o¹n èng dÉn n−íc vµ èng dÉn gas trong thµnh phè sao cho n−íc vµ khÝ gas ch¹y qua c¸c ®o¹n èng nµy kh«ng bÞ rß rØ ra ngoµi. Khi hµn nèi c¸c sîi quang, chóng ph¶i ®−îc nèi c¸c ®Çu sîi víi nhau chuÈn trùc. NÕu lâi cña hai sîi kh«ng ®−îc g¾n víi nhau hoµn toµn vµ ®ång nhÊt th× mét phÇn cña ¸nh s¸ng ®i ra khái sîi nµy sÏ kh«ng vµo sîi kia hoµn toµn vµ bÞ ph¸t x¹ ra ngoµi g©y nªn suy hao. Nguyªn nh©n chÝnh cña suy hao nµy lµ viÖc kh«ng giãng ®ång trôc hay sîi, do vËy t¹o nªn suy hao rÊt lín. NÕu cã mét khe hë nhá tån t¹i t¹i chç nèi th× chÝnh khe nµy t¹o nªn suy hao ph¶n x¹. NÕu ®é lín cña ph¶n x¹ nµy lín th× ng−êi ta gäi lµ ph¶n x¹ fresnel. Suy hao ghÐp nèi sîi quang gi÷a sîi vµ c¸c linh kiÖn thu ph¸t quang §iÒu kiÖn ®Ó ghÐp ¸nh s¸ng tõ linh kiÖn ph¸t quang vµo sîi quang ®−îc x¸c ®Þnh b»ng khÈu ®é sè NA nh− ®· gi¶i thÝch ë phÇn trªn. Khi so s¸nh vÒ ®Æc ®iÓm cña LD vµ LED th× chóng cã ®é réng chïm s¸ng kh¸c nhau, khi ghÐp nèi vµo sîi quang th× laser cã c¸c ®Æc ®iÓm vÒ suy hao tèt h¬n ngay c¶ khi sö dông thÊu kÝnh ®Ó tËp trung chïm s¸ng. Ngoµi ra, lo¹i sîi SM vµ GI còng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau vÒ suy hao ghÐp nèi bëi v× chóng cã nh÷ng ®−êng kÝnh lâi kh¸c nhau. Trong ghÐp nèi gi÷a sîi quang víi linh kiÖn thu quang th× c¸c lo¹i sîi cã NA lín, lo¹i GI th× cã suy hao lín h¬n so víi lo¹i sîi SM v× chïm s¸ng cña lo¹i sîi nµy bÞ tr¶i réng ra. Tuy nhiªn, sù kh¸c nhau vÒ suy hao do nguyªn nh©n chïm s¸ng në réng th× nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi suy hao ghÐp b¶n th©n nã. 3.5.2 T¸n s¾c ¸nh s¸ng vµ ®é réng b¨ng truyÒn dÉn cña sîi quang 63
T¸n s¾c mode Trong c¸c sîi quang ®a mode, tèc ®é lan truyÒn ¸nh s¸ng cña c¸c mode lµ kh¸c nhau. VÝ dô, khi mét xung ¸nh s¸ng ®−îc ®−a vµo sîi quang ®a mode th× xung t¹i ®Çu ra cã ®é réng lín h¬n ®é réng xung lèi vµo. Nguyªn nh©n g©y ra hiÖn t−îng nµy lµ do xung ¸nh s¸ng vµo mÆc dï chØ cã mét b−íc sãng ®¬n nh−ng lan truyÒn víi mét vµi mode kh¸c nhau víi c¸c tèc ®é lan truyÒn kh¸c nhau. HiÖn t−îng nµy gäi lµ t¸n s¾c mode, nã lµm kho¶ng trèng thêi gian gi÷a c¸c xung c¹nh nhau trë nªn ng¾n h¬n so víi sîi nguyªn b¶n cña nã. Trong c¸c sîi quang ®a mode, ®é réng b¨ng truyÒn dÉn cña nã bÞ giíi h¹n chñ yÕu b»ng t¸n s¾c mode. Ngay c¶ trong c¸c sîi quang chiÕt suÊt biÕn ®æi mµ ë sîi quang nµy cã ph©n bè chiÕt suÊt khóc x¹ theo h×nh parabol cho phÐp gi¶m t¸n x¹ mode thÊp nhÊt th× ®é chÝnh x¸c, h×nh d¹ng nh×n nghiªng cña ph©n bè chiÕt suÊt bÞ giíi h¹n. Bëi vËy, nÕu muèn cã hÖ truyÒn dÉn dung l−îng truyÒn dÉn lín th× cÇn ph¶i cã c¸c ®Æc tÝnh b¨ng truyÒn dÉn réng, sö dông sîi ®¬n mode, viÖc sö dông lo¹i sîi nµy lo¹i bá ®−îc t¸n s¾c mode do h¹n chÕ sè l−îng mode truyÒn thèng xuèng chØ cßn mét mode. T¸n s¾c b−íc sãng Trong mét m«i tr−êng ®ång nhÊt, chiÕt suÊt khóc x¹ cña nã biÕn ®æi theo b−íc sãng, kÕt qu¶ lµ tèc ®é truyÒn dÉn biÕn ®æi cïng víi b−íc sãng. Sù phô thuéc chiÕt suÊt khóc x¹ vµo b−íc sãng ®−îc hiÓu nh− lµ t¸n s¾c ¸nh s¸ng qua mét l¨ng kÝnh hoÆc b¶y s¾c cÇu vång sau khi m−a. Nãi mét c¸ch chÝnh x¸c th× ¸nh s¸ng sö dông trong th«ng tin quang sîi kh«ng ph¶i lµ ¸nh s¸ng hoµn toµn ®¬n s¾c duy chØ cã c¸c b−íc sãng ®−îc ph©n bè ë ®©y trong mét gi¶i hÑp. V× lý do ®ã, ¸nh s¸ng cã ph©n bè tèc ®é lan truyÒn kh¸c nhau v× sù kh¸c nhau cña c¸c thµnh phÇn b−íc sãng ¸nh s¸ng (b−íc sãng dµi h¬n th× chiÕt suÊt khóc x¹ ®èi víi nã sÏ nhá ®i, kÕt qu¶ lµ cã tèc ®é lan truyÒn lín h¬n). §©y lµ mét yÕu tè giíi h¹n ®é réng b¨ng truyÒn dÉn gièng nh− t¸n x¹ mode ta ®· bµn tíi tr−íc ®©y vµ yÕu tè nµy ®−îc gäi lµ t¸n s¾c vËt liÖu. Khi chiÕt suÊt khóc x¹ gi÷a líp lâi vµ vá cña sîi quang kh¸c nhau chót Ýt th× hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn t¹i bÒ mÆt biªn kh«ng hoµn toµn gièng nh− trªn bÒ mÆt cña g−¬ng mµ cßn cã thªm nh÷ng phÇn thÈm thÊu ¸nh s¸ng qua líp vá. Thªm vµo ®ã, møc ®é thÈm thÊu biÕn ®æi theo b−íc sãng, kÕt qu¶ lµ ®é dµi ®−êng lan truyÒn thay ®æi theo b−íc sãng. T¸n s¾c g©y ra do hiÖn t−îng nµy gäi lµ t¸n x¹ cÊu tróc. Trong lÜnh vùc th«ng tin quang sîi, t¸n s¾c vËt liÖu vµ t¸n s¾c cÊu tróc ®−îc gäi chung lµ t¸n s¾c b−íc sãng. Nãi chung, ®é lín cña t¸n s¾c ®−îc tãm t¾t theo mèi t−¬ng quan d−íi ®©y: T¸n s¾c mode >>T¸n s¾c vËt liÖu>T¸n s¾c cÊu tróc Bëi vËy, trong tr−êng hîp c¸c sîi quang ®a mode, ®é réng b¨ng truyÒn dÉn bÞ giíi h¹n hÇu nh− chØ do nguyªn nh©n t¸n s¾c mode, t¸n s¾c b−íc sãng chØ cã mét gi¸ trÞ rÊt nhá. Nãi c¸ch kh¸c, trong tr−êng hîp sîi quang ®¬n mode th× t¸n s¾c b−íc sãng l¹i lµ nguyªn nh©n chÝnh g©y nªn h¹n chÕ ®é réng b¨ng cña sîi. Bëi vËy, ®èi víi sîi quang ®¬n mode th× b−íc sãng ®−îc sö dông ®Ó ho¹t ®éng ph¶i ®−îc chän sao cho ¶nh h−ëng cña t¸n s¾c vËt liÖu cã thÓ bá qua ®−îc, còng b»ng c¸ch ®ã t¸n s¾c cÊu tróc cã thÓ gi¶m ®i (t¸n s¾c mµu b»ng 0) b»ng c¸ch t¹o nªn c¸c cÊu tróc kh¸c nhau trong viÖc thiÕt kÕ sîi quang. §é réng b¨ng truyÒn dÉn 64
Trong lÜnh vùc th«ng tin sîi quang hiÖn nay, tõ “®é réng b¨ng truyÒn dÉn” ®−îc sö dông nh− lµ mét møc ®é ®Ó chØ tÇn sè ®iÒu chÕ tÝn hiÖu ¸nh s¸ng cao nhÊt cã thÓ truyÒn dÉn ®−îc vµ nã ®−îc biÓu hiÖn vÒ sè l−îng lµ 6dB ®é réng b¨ng cña tÇn sè b¨ng c¬ së cña sîi quang. Gi¶ thiÕt r»ng mét xung cã d¹ng sãng lý t−ëng ®é réng b»ng 0 (®−îc gäi lµ xung kim) ®−îc ®−a vµo sîi quang, sau khi lan truyÒn qua mét kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh th× xung thu ®−îc bÞ d·n ra mét ®é réng nhÊt ®Þnh do t¸n s¾c ¸nh s¸ng. NÕu xung bÞ në réng th× chiÒu cao cña xung sÏ gi¶m, mÆc dï ta gi¶ thiÕt r»ng kh«ng cã ¸nh s¸ng ph¸t x¹ ra ngoµi trong toµn tuyÕn truyÒn dÉn, ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ n¨ng l−îng ®−îc b¶o toµn. ViÖc kiÓm tra d¹ng xung t¹i ®Çu ra (®−îc gäi lµ d¹ng ®¸p øng xung), theo c¸ch nµy cã nghÜa lµ kiÓm tra c¸c ®Æc tÝnh t¸n s¾c cña sîi quang. øng dông nguyªn lý nµy trong miÒn tÇn sè cho ta mét kh¸i niÖm vÒ ®Æc tr−ng tÇn sè b¨ng c¬ së. C¸c ®Æc tr−ng tÇn sè b¨ng tÇn c¬ së lµ c¸c ®Æc tÝnh ®¸p øng tÇn sè cña tØ sè biªn ®é vµo vµ ra, ë lèi vµo lµ tÝn hiÖu ®iÖn cã d¹ng sãng h×nh sin ®Ó ®iÒu chÕ tÝn hiÖu quang göi vµo mét ®Çu vµo cña ®o¹n truyÒn dÉn quang, vµ lèi ra lµ tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc gi¶i ®iÒu chÕ tõ tÝn hiÖu quang thu ®−îc t¹i ®Çu ra cña phÇn truyÒn dÉn quang. Trong c¸c sîi quang ®a mode khi tÇn sè ®iÒu chÕ ë ®Çu vµo t¨ng lªn dÇn dÇn th× biªn ®é cña tÝn hiÖu ®· gi¶i ®iÒu chÕ ë ®Çu ra sÏ gi¶m dÇn dÇn vµ tuú thuéc vµo kho¶ng c¸ch v× nguyªn nhan t¸n s¾c mode ®· ®Ò cËp ®Õn ë phÇn trªn. §é réng b¨ng 6dB ®Þnh nghÜa lµ d¶i tÇn sè mµ tíi mét tÇn sè nµo ®ã cã biªn ®é tÝn hiÖu ®iÖn ®Çu ra gi¶i ®iÒu chÕ tõ tÝn hiÖu quang sau khi lan truyÒn qua mét kho¶ng c¸ch lµ 1 km gi¶m xuèng cßn 1 / 2 biªn ®é (c«ng suÊt ¸nh s¸ng gi¶m 3dB) tÝn hiÖu ®iÖn ®iÒu chÕ ®Çu vµo. §é réng b¨ng 6dB ®−îc ®o b»ng MHz.km. C¸c ®Æc tÝnh ®é réng b¨ng tÇn sè c¬ së cña c¸p sîi quang lín h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c lo¹i c¸p ®«i ®èi xøng vµ c¸p ®ång trôc cæ ®iÓn nh− ®· biÕt ®Õn. §èi víi lo¹i sîi ®¬n mode nãi riªng, ®é réng b¨ng tÇn c¬ së qu¸ lín so víi c¸c con sè ë ®©y, nãi chung nã cã thÓ ®Õn con sè vµi chôc GHz.km. 3.5.3 Gia c−êng c¬ häc cho sîi quang Gia c−êng c¬ häc cho sîi quang lµ mét yÕu tè quan träng trong viÖc ®−a c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vµo sö dông ®−îc trong thùc tÕ. T¨ng c−êng søc chÞu lùc nãi riªng kh«ng ph¶i lµ yÕu tè quan träng nhÊt ®èi víi viÖc sö dông c¸p ®ång v× tù b¶n th©n kim lo¹i cã tÝnh chÞu uèn cao nh−ng ®èi víi c¸p quang th× vÊn ®Ò nµy ph¶i ®−îc ®Æc biÖt chó ý v× vËt liÖu thuû tinh rÊt gißn vµ dÔ gÉy. Lùc chÞu c¨ng cña thuû tinh th¹ch anh lín vµo cì 300kG/mm2. Nã lín h¬n gÊp hai lÇn so víi thÐp vµ h¬n m−êi lÇn so víi ®ång vµ nh«m. Nh−ng nÕu cã mét vÕt nøt trªn bÒ mÆt cña sîi quang th× lùc chÞu c¨ng ®−îc tËp trung vµo chç nøt vµ sîi sÏ bÞ g·y nÕu lùc nµy lín h¬n giíi h¹n chÞu ®ùng cho phÐp. §©y lµ nh−îc ®iÓm lín cña sîi thuû tinh. Trong qu¸ tr×nh kÐo ph«i thµnh sîi quang, bôi c¸t cã thÓ b¸m vµo sîi vµ g©y nªn vÕt nøt trªn bÒ mÆt. §Ó ng¨n ®iÒu nµy ph¶i chó ý ®Æc biÖt ®Õn m«i tr−êng s¶n xuÊt nh− lµ ph¶i bäc ngay lËp tøc sau khi kÐo thµnh sîi hoÆc ph¶i s¶n xuÊt trong phßng rÊt s¹ch. Nãi chung nguyªn nh©n lµm g·y sîi quang lµ c¸c vÖt r¹n ph©n bè mét c¸ch ngÉu nhiªn suèt däc chiÒu dµi cña sîi. §Ó lo¹i bá c¸c vÕt nøt nµy vµ b¶o ®¶m søc chÞu lùc cña sîi quang ph¶i thùc hiÖn mét phÐp kiÓm tra thö “screening test”, tøc lµ “s¬ tuyÓn”. PhÐp kiÓm tra ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch ®Æt mét lùc c¨ng theo suèt chiÒu dµi cña sîi 65
®Ó ph¸t hiÖn sîi quang g·y t¹i ®iÓm yÕu nhÊt cña sîi quang v× bÞ r¹n nøt. B»ng c¸ch nµy, c¸c ®o¹n yÕu ®−îc bá ®i tr−íc khi sö dông, nh− vËy cã thÓ gi¶m thiÓu ®−îc viÖc sîi quang bÞ g·y. Chóng ta còng ®Òu biÕt r»ng søc chÞu c¨ng cña sîi quang sÏ thÊp h¬n khi ë trong m«i tr−êng n−íc. Nguyªn nh©n lµ do c¸c liªn kÕt yÕu gi÷a c¸c nguyªn tö thuû tinh trong n−íc. Do vËy ph¶i chó ý kh«ng ®Ó sîi quang ch×m xuèng n−íc khi sö dông. 3.5.4. C¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn cña th«ng tin sîi quang Cã thÓ chia sù ph¸t triÓn cña hÖ th«ng tin sîi quang thµnh 4 thÕ hÖ. ThÕ hÖ thø nhÊt (1970) sîi quang sö dông lµ sîi ®a mode lo¹i SI vµ GI, b−íc sãng cña ¸nh s¸ng ng¾n 850nm. Do ¶nh h−ëng t¸n x¹ cña vËt liÖu, t¸n x¹ mode cña sîi quang, nªn t¸n x¹ vµ tiªu hao cña sîi quang cßn lín. Cù ly th«ng tin (kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tham sè lÆp) vµ tèc ®é truyÒn tin thÊp. Chñ yÕu sö dông nãi gi÷a c¸c tæng ®µi. ThÕ hÖ thø hai Nhê tiÕn bé c«ng nghÖ chÕ t¹o sîi quang, ®· chuyÓn sang sö dông b−íc sãng λ =1300nm. Lo¹i sîi quang sö dông lµ sîi ®a mode GI. T¹i b−íc sãng nµy gi¶m ®¸ng kÓ t¸n x¹ vËt liÖu, song v× sîi ®a mode nªn cßn tån t¹i t¸n x¹ mode. Tèc ®é truyÒn dÉn trung b×nh 34Mbit/s, cù ly th«ng tin 3 km. MÆc dï ë møc thö nghiÖm ®¹t 140Mbit/s víi cù ly 25 km. ThÕ hÖ thø ba Sö dông sîi ®¬n mode SM, b−íc sãng dµi 1300nm, nªn t¸n x¹ vËt liÖu nhá, t¸n x¹ mode kh«ng cßn. Tiªu hao cña sîi quang nhá cì 0,35dB/km. Nã ®−îc dïng cho ®−êng trôc víi dung l−îng lín, tèc ®é truyÒn dÉn cao, cù ly th«ng tin xa. Tèc ®é ®¹t ®−îc 400 Mbit/s vµ ®é dµi ®¹t ®−îc lµ 50km. ThÕ hÖ thø t− Sö dông sîi ®¬n mode víi b−íc sãng 1550nm. KÕt hîp víi viÖc sö dông LED vµ LD vµ photo diode thÝch hîp, cù ly th«ng tin t¨ng trªn 50 km vµ tèc ®é truyÒn dÉn trªn 565 Mbit/s. 3.6. C¸c bé lÆp ®Çu cuèi, bé lÆp ®−êng d©y C¸c bé lÆp ®Çu cuèi, bao gåm hai phÇn: phÇn thu vµ phÇn ph¸t (göi, nhËn). §Ó tiÖn kh¶o s¸t, ta t¸ch thµnh 2 bé lÆp: bé lÆp phÝa göi (khi ph¸t), vµ bé lÆp ®Çu cuèi phÝa thu (khi nhËn). VÒ cÊu tróc, hai phÇn nµy hoµn toµn ng−îc nhau, nh−ng n»m chung trong mét thiÕt bÞ ®Çu cuèi. 3.6.1 Bé lÆp ®Çu cuèi S¬ ®å bé lÆp ®Çu cuèi phÝa göi dÉn ra ë h×nh 3.10 66
H×nh 3.10. Bé lÆp ®Çu cuèi khi göi TÝn hiÖu ®iÖn sö dông trong hÖ thèng ®iÖn lµ tÝn hiÖu l−ìng cùc (xung ©m, xung d−¬ng lu©n phiªn). Trong hÖ th«ng tin sîi quang tÝn hiÖu lµ ®¬n cùc, t−¬ng øng víi “cã” vµ “kh«ng”, t¹o ra hai møc logic “1” vµ “0”. ë lèi vµocña bé lÆp khi göi, nhËn ®−îc tÝn hiÖu ®iÖn l−ìng cùc qua bé biÕn ®æi l−ìng/ ®¬n cùc, thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ®¬n cùc. TÝn hiÖu ®¬n cùc møc logic “1” lu«n t−¬ng øng víi mét xung ®¬n cùc, chóng lµm cho qu¸ tr×nh xö lý t¹i c¸c thiÕt bÞ dÔ dµng h¬n. TÝn hiÖu ®iÖn ®¬n cùc qua bé xö lý m· göi. T¹i ®©y mét sè m· quy −íc ®Æc biÖt ®−îc céng thªm vao c¸c tÝn hiÖu ®¬n cùc ®−a vµo, lµm nhiÖm vô kiÓm tra ho¹t ®éng b×nh th−êng gi÷a c¸c bé lÆp. Sau ®ã toµn bé tÝn hiÖu nµy mét lÇn n÷a ®−îc biÕn ®æi thµnh m· ®−êng truyÒn x¸c ®Þnh phï hîp víi m«i tr−êng truyÒn dÉn. Sau ®ã tÝn hiÖu ®−îc ®−a vµo bé biÕn ®æi ®iÖn-quang E/O. §Çu tiªn tÝn hiÖu qua m¹ch ®iÒu khiÓn, ®−îc khuÕch ®¹i ®Ó cã c«ng suÊt ®ñ lín.M¹ch ®iÒu khiÓn, ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña laser diode LD t¹o ra tÝn hiÖu quang t−¬ng tù tÝn hiÖu ®iÖn. M¹ch ®iÒu khiÓn møc c«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra ®−îc dïng ®Ó gi÷ c«ng suÊt LD æn ®Þnh. M¹ch ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c lÊy tÝn hiÖu tõ lèi ra cña LD, ®−a trë l¹i t¸c ®éng vµo m¹ch ®iÒu khiÓn. Khi LD ph¸t m¹nh, m¹ch ®iÒu khiÓn c«ng suÊt sÏ t¸c ®éng vµo m¹ch ®iÒu khiÓn. M¹ch ®iÒu khiÓn sÏ ®iÒu khiÓn LD ph¸t gi¶m ®i. Qu¸ tr×nh x¶y ra tù ®éng vµ LD ph¸t c«ng suÊt æn ®Þnh trong suèt qu¸ tr×nh ho¹t ®éng. Nguån s¸ng thùc hiÖn chøc n¨ng biÕn ®æi ®iÖn quang ®−îc dïng lµ diode ph¸t quang LED (light emitting diode) vµ LD (laser diode). Nguyªn t¾c biÕn ®æi ®iÖn-quang ë ®©y lµ dïng tÝn hiÖu ®iÖn lèi vµo thay ®æi c−êng ®é bøc x¹ cña LED vµ LD. Nãi c¸ch kh¸c, ®©y chÝnh lµ ph−¬ng ph¸p ®iÒu biªn. VÒ nguyªn t¾c, LED vµ LD cã thÓ thùc hiÖn c¶ ®iÒu chÕ biªn ®é víi tÝn hiÖu t−¬ng tù vµ tÝn hiÖu sè. Nh−ng v× ®Æc tr−ng P(I) c«ng suÊt ph¸t x¹ phô thuéc vµo dßng ®iÖn qua c¸c thiÕt bÞ nµy lµ phi tuyÕn, nÕu ®iÒu chÕ tÝn hiÖu t−¬ng tù Ýt hiÖu qu¶. Chñ yÕu sö dông chóng trong th«ng tin tÝn hiÖu sè. So s¸nh gi÷a LED vµ LD ta thÊy: §èi víi LED: §é dèc S cña ®Æc tr−ng P(I) vµo kho¶ng (5 ÷ 50) µw / mA TÇn sè c¾t: fc= (30 ÷ 50) MHz §èi víi LD: §é dèc S ®Æc tr−ng P(I) lµ 500 µw / mA TÇn sè c¾t fc=1,6GHz VËy LD ho¹t ®éng ë tÇn sè tÝn hiÖu ®iÒu chÕ cao. H¬n n÷a LD t¹o ra tÝn hiÖu ®¬n s¾c, nªn ®−îc dïng ®èi víi s¬i ®¬n mode. 67
∆λ = 6.10 −6 , cã thÓ xem phæ cña tÝn BÒ réng cña phæ bøc x¹ khi ®iÒu chÕ lµ rÊt nhá λ hiÖu sau khi ®iÒu chÕ víi sãng mang lµ gÇn nh− kh«ng thay ®æi. C¸c thiÕt bÞ ghÐp/t¸ch kªnh sè vµ ghÐp/ t¸ch kªnh quang cã thÓ cã, cã thÓ kh«ng. 3.6.2. Bé lÆp ®Çu cuèi phÝa nhËn S¬ ®å bé lÆp ®Çu cuèi phÝa nhËn (phÝa thu) dÉn ra ë h×nh 3.11 TÝn hiÖu tõ tr¹m göi ®i qua sîi quang ®Õn tr¹m lÆp phÝa nhËn. T¹i ®©y l¹i thùc hiÖn mét qu¸ tr×nh ng−îc víi qu¸ tr×nh ë tr¹m lÆp khi göi, nghÜa lµ nã sÏ thùc hiÖn qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang ®iÖn O/E. H×nh 3.11 Bé lÆp phÝa thu Qu¸ tr×nh biÕn ®æi O/E Khi lan truyÒn qua sîi quang tõ tr¹m göi ®Õn tr¹m thu, bÞ suy gi¶m vµ biÕn d¹ng (tÝn hiÖu sau t¸ch kªnh quang h×nh 3.11). TÝn hiÖu nµy qua thiÕt bÞ thu quang lµ photo diode sÏ biÕn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. D¹ng cña tÝn hiÖu ®iÖn còng bÞ mÐo t−¬ng tù nh− tÝn hiÖu quang. V× vËy tÝn hiÖu cÇn qua bé khuÕch ®¹i c©n b»ng. KhuÕch ®¹i c©n b»ng thùc hiÖn viÖc söa d¹ng tÝn hiÖu vµ khuÕch ®¹i ®Ó cã biªn ®é cÇn thiÕt. Trong phÇn nµy, m¹ch thùc hiÖn viÖc tù ®éng ®iÒu khiÓn, ®Ó gi÷ møc tÝn hiÖu lu«n cè ®Þnh ë lèi ra cña khuÕch ®¹i, nhê m¹ch tù ®éng ®iÒu khiÓn AGC. Ngoµi ra bé khuÕch ®¹i cßn lÊy ra c¸c tÝn hiÖu vÒ thêi gian vµ kho¶ng thêi gian cña tÝn hiÖu xung gèc. “1” vµ “0” tõ tÝn hiÖu söa vµ khuÕch ®¹i gäi lµ xung ®Þnh thêi. T¹i m¹ch t¸i t¹o c¸c xung “cã” vµ “kh«ng” (“1” vµ “0”) ®−îc x¸c ®Þnh t¹i vÞ trÝ cña tÝn hiÖu ®Þnh thêi, theo trôc thêi gian. Nh− vËy, c¸c tÝn hiÖu xung gèc ®−îc phôc håi nguyªn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn ban ®Çu. Sau ®ã qu¸ tr×nh hoµn m· ®−îc thùc hiÖn t¹i bé xö lý m·. T¹i ®©y, bé xö lý m· sÏ kiÓm tra lâi vµ chuyÓn ®æi m· tÝn hiÖu vÒ m· ban ®Çu. §©y lµ qu¸ tr×nh gi¶i ®iÒu. TÝn hiÖu sau bé xö lý m· lµ ®¬n cùc, nã ®−îc cho qua bé biÕn ®æi ®¬n/ l−ìng cùc vµ ta ®−îc ®óng tÝn hiÖu ®iÖn ban ®Çu. TÝn hiÖu nµy qua bé t¸ch kªnh sè tr¶ l¹i ®Ých nhËn. -Bé thu quang thùc hiÖn chøc n¨ng biÕn ®æi quang-®iÖn O/E lµ photo diode. Cã hai lo¹i photo diode ®ù¬c sö dông lµ PIN vµ APD. C¸c photo diode ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c sau: C¸c photo diode ®−îc ph©n cùc ng−îc, khi kh«ng cã ¸nh s¸ng chiÕu vµo, dßng qua diode b»ng 0. Khi cã tia s¸ng chiÕu 68
vµo, qua diode xuÊt hiÖn dßng ®iÖn. C−êng ®é cña dßng ®iÖn nµy tØ lÖ víi c−êng ®é ¸nh s¸ng chiÕu vµo. Do ®ã photo diode thùc hiÖn ®−îc qu¸ tr×nh biÕn ®æi quang -®iÖn O/E. So s¸nh hai lo¹i photo diode sö dông trong th«ng tin sîi quang Lo¹i photo diode PIN: CÊu t¹o cña lo¹i photo diode nµy gåm hai m¶nh b¸n dÉn P vµ N ®−îc nèi qua sîi kim lo¹i m¶nh vµ ng¾n. Tªn cña lo¹i photo diode nµy dùa trªn ba chÊt cÊu t¹o nªn nã (P, N lµ b¸n dÉn lo¹i P vµ N, cßn I lµ kim lo¹i). V× cã sîi kim lo¹i, nªn tèc ®é chuyÓn m¹ch cña PIN kh«ng cao. Nã chØ ho¹t ®éng víi tÇn sè biÕn ®æi cña ¸nh s¸ng thÊp, nªn chØ dïng cho th«ng tin cã tèc ®é thÊp. MÆt kh¸c, hÖ sè biÕn ®æi quang ®iÖn thÊp v× kh«ng cã sù khuÕch ®¹i, nªn ®é nh¹y kh«ng cao. Tuy nhiªn, thÕ nu«i photo diode lo¹i PIN chØ cÇn nhá vµ ho¹t ®éng l¹i æn ®Þnh. PIN hay ®−îc dïng trong c¸c LAN víi cù ly ng¾n, tèc ®é thÊp. -Photo diode APD: CÊu t¹o cña lo¹i nµy, nh− photo diode b×nh th−êng gåm hai m¶nh b¸n dÉn PN tiÕp gi¸p víi nhau. T¹i miÒn gÇn tiÕp gi¸p, ng−êi ta thay ®æi nång ®é t¹p. Ho¹t ®éng cña nã vÉn dùa trªn nguyªn t¾c photo diode ®−îc ph©n cùc ng−îc, khi kh«ng cã ¸nh s¸ng t¸c ®éng, dßng qua photo diode b»ng 0. Khi cã ¸nh s¸ng t¸c ®éng th× qua photo diode xuÊt hiÖn dßng ng−îc. Dßng ng−îc nµy tØ lÖ víi c−êng ®é ¸nh s¸ng t¸c dông. Do ®ã APD thùc hiÖn ®−îc nhiÖm vô biÕn ®æi quang ®iÖn O/E. Sù kh¸c biÖt cña APD lµ thÕ ph©n cùc ng−îc rÊt lín (cì 200v). Khi ¸nh s¸ng t¸c ®éng vµo miÒn tiÕp gi¸p lµm xuÊt hiÖn cÆp vµ lç trèng, chóng chuyÓn ®éng nhanh do t¸c ®éng cña ®iÖn tr−êng m¹nh, g©y ra sù ion ho¸ do va ch¹m. Trong APD xuÊt hiÖn hiÖn t−îng th¸c. ChÝnh nhê hiÖn t−îng nµy APD kh«ng nh÷ng chØ lµm nhiÖm vô biÕn ®æi O/E mµ cßn cã t¸c dông khuÕch ®¹i tÝn hiÖu lªn ®Õn 200 lÇn. Tèc ®é chuyÓn m¹ch cña APD còng rÊt cao. Nã cã thÓ ho¹t ®éng ë gi¶i tÇn ®Õn GHz. Do cã ®é nh¹y cao, tÇn sè c¾t rÊt cao nªn APD ®−îc dïng trong hÖ th«ng tin sîi quang víi kho¶ng c¸ch xa vµ tèc ®é lín. H¹n chÕ APD lµ thª nu«i cã ®iÖn ¸p rÊt cao (200v) vµ ho¹t ®éng kÐm æn ®Þnh (v× cã hiÖn t−îng th¸c). V× vËy ®ßi hái thÕ nguån nu«i ph¶i æn ®Þnh vµ ho¹t ®éng trong m«i tr−êng æn nhiÖt, ph¶i sö dông c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ tèn kÐm. 3.6.3. Bé lÆp ®−êng truyÒn Khi cù ly gi÷a bé lÆp göi vµ nhËn qu¸ xa, tÝn hiÖu sÏ bÞ biÕn d¹ng ®Õn møc kh«ng håi phôc ®−îc. Lóc ®ã cÇn sö dông thªm tr¹m lÆp ®−êng truyÒn gi÷a tr¹m göi vµ tr¹m thu. Bé lÆp ®−êng truyÒn cã cÊu t¹o bao gåm mét phÇn cña bé lÆp ®Çu cuèi phÝa thu vµ mét phÇn cña bé lÆp ®Çu cuèi phÝa ph¸t. PhÇn ®Çu cña bé lÆp ®−êng truyÒn lµ phÇn ®Çu cña bé lÆp thu gåm c¸c tÇng: APD, khuÕch ®¹i c©n b»ng, x¸c ®Þnh t¸i t¹o. Khi tÝn hiÖu trªn ®−êng truyÒn cÇn ®−îc t¨ng c−êng vµ söa d¹ng, nã ®−îc ®−a ®Õn lèi vµo cña bé lÆp ®−êng truyÒn. Qua bèn khèi phÇn ®Çu cña bé lÆp ®−êng truyÒn, tÝn hiÖu ®−îc söa gièng nh− tÝn hiÖu ®iÖn tr−íc khi ®iÒu chÕ. TÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a qua phÇn cuèi cña bé lÆp ®−êng truyÒn. Nã chÝnh lµ phÇn cuèi cña bé lÆp phÝa göi (h×nh 3.10) bao gåm c¸c tÇng trong khèi E/O: m¹ch ®iÒu khiÓn, LD, m¹ch ®iÒu khiÓn møc c«ng suÊt. ë lèi ra cña bé lÆp ®−êng truyÒn tÝn hiÖu quang cã d¹ng gièng nh− tÝn hiÖu lèi ra cña bé lÆp phÝa göi. Tãm l¹i bé lÆp ®−êng truyÒn bao gåm phÇn O/E cña bé lÆp phÝa thu vµ phÇn E/O cña bé lÆp phÝa göi. 69