Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

50 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 51 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 52 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. n1 n2 i r BA 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. 53 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. 54 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. Dạng sóng thu được do chồng chất a) phương thức cơ bản b) dạng sóng thu được do chồng chất Tại điểm buộc chặt, sóng đưa tới bị loại trừ do có hiện tượng phản xạ 1 2 3 3 1 2 Dạng sóng thu được do chồng chất Sóng đi về bên phải Sóng đi về bên trái c) trường hợp không tạo ra sóng đứng 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 55 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 1 2cos)90sin( n n cc o ==− θθ v× n1≈n2, gãc më lín nhÊt sÏ lµ: ∆=−= 2sin 1 2 2 2 1max nnnθ (3.3) Víi 1 21 n nn − =∆ lµ ®é lÖch chiÕt suÊt t−¬ng ®èi. 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. 56 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 pi trong mét chu kú, t¹i chu kú nµy ¸nh s¸ng ®i qua kho¶ng c¸ch nλ /2 (n=1,2,3...) Tr¸i l¹i, víi nh÷ng tia s¸ng cã gãc θ n»m trong kho¶ng 10 θθθ << 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 cθ th× sè l−îng mode lan truyÒn lín nhÊt N ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn 2 sin2 λθ Na c ≥ [ ])1,...(1,0 −= NN (3.4) Trong ®ã cθ ®−îc tÝnh theo (3.1) 1 2 2 2 1 1 maxsinsin n nn n c − == θθ v×: 1 0 n λλ = nªn: 22 2 1 0 4 nn aN −≤ λ (3.5) Tõ (3.5) cho thÊy sè mode lan truyÒn phô thuéc vµo kÝch th−íc a cña lâi, b−íc sãng lan truyÒn 0λ 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; ma µ502 = ; mµλ 3,1= sÏ tÝnh ®−îc N=16 57 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; ma µ102 = ; mµλ 3,1= 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 cλ . cλ ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh sau: 2 2 2 14 nnac −=λ (3.6) 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×: 21.405,2 2 nnac −= piλ (3.7) 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; ma µ102 = sÏ cã mc µλ 22,1= Sîi quang nµy kh«ng thÓ sö dông nh− mét sîi ®¬n mode víi c¸c b−íc sãng mc µλ 22,1< . 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. 58 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 cλ , 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 mµ ®Õn 100 mµ . 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 vµ 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 59 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 vµ ®−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 mµ vµ líp phñ 125 mµ , 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 60 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 61 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 C¸c chØ sè Sîi quang chiÕt suÊt biÕn ®æi Sîi quang ®¬n mode B−íc sãng sö dông a) 0.85 µm b) 1.3 µm a) 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 ®ång t©m 6% hoÆc Ýt h¬n 0.5~3.0 µm 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: 62 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 mµ , 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 mµ ®Õn 1,6 mµ . 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 mµ , nh−ng khi lan truyÒn ë b−íc sãng 1,6 mµ 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 63 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 mµ ), 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 64 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 65 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 2/1 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 66 ®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 67 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) mAw /µ TÇn sè c¾t: fc= MHz)5030( ÷ §èi víi LD: §é dèc S ®Æc tr−ng P(I) lµ 500 mAw /µ 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. 68 BÒ réng cña phæ bøc x¹ khi ®iÒu chÕ lµ rÊt nhá 610.6 −=∆λ λ , cã thÓ xem phæ cña tÝn 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 69 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.