Nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

Lời nói đầu Cùng với sự phát triển mọi mặt về kinh tế xã hội, các nhu cầu vui chơi giải trí của con người cũng tăng lên nhanh không ngừng cả về số lưọng và chất lượng. Hoà vào xu thế đó, các dịch vụ viễn thông cũng không ngừng phát triển nhằm thoả mãn các nhu cầu của con người, đặc biệt là con người của kỷ nguyên và thông tin. Để tạo ra được một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển các dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về chất lượng. Từ khi ra đời cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác. Các hệ thống truyền dẫn mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang. Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang. Trong khuôn khổ bản báo cáo thực tập với mong muốn giới thiệu tổng quan của thông tin quang bao gồm bốn chương sau: ChươngI: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ChươngII: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sợi quang ChươngIII: Cáp quang Chương IV: Phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện Với nội dung trên cuốn luận văn góp một phần nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sợi quang. Mục lục Trang lời nói đầu 1 ChươngI: Tổng quan về hệ thống thông tin quang 2 I. Giới thiệu về thông tin quang 2 1.Khái quát chung . 2 2. Cấu trúc và các thành phần chính trong HTTTQ . 4 II. Sơ đồ tổng quát của HTTTQ . 6 1. Các chức năng của hệ thống thông tin quang 6 2. Ưu nhươc điểm của hệ thống thông tin quang 8 Chương II: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sơi quang 1.Bản chất của ánh sáng . 10 2.Nguyên lý truyền dẫn ánh sang 10 3.Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 11 a.Khẩu độ số NA . 11 b.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) 12 c.Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI) . 13 d.Sợi đa mode 14 e.Sợi đơn mode 15 4. Cấu trúc các loại sợi dẫn quang 15 5.Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang . 17 a. Suy hao do hấp thụ 20 b. Suy hao do tán xạ 21 c. Suy hao do sợi bị uốn cong 23 Chương III: Cáp quang . 24 1. Khái quát chung 24 2. Các phần tử của cáp . 24 a. Lõi cáp . 25 b. Thành phần gia cường 25 c. Vỏ cáp . 26 3. Các loại cáp và ứng dụng . 27 a. Cáp treo . 27 b. Cáp treo trong cống . 28 c. Cáp trôn trực tiếp . 28 d. Cáp đặt trong nhà và cáp nhảy . 28 e. Cáp ngập nước và thả biển . 28 Chương IV: Phần tử chuyển đổi điện quang- quang điện . I. Phần biến đổi điện quang 29 1. Các chức năng chung 29 2. Điôt phát quang LED . 35 3. Điôt Laser . 37 II. Phần biến đổi quang điện . 40 1. Nguyên lý cơ bản của các bộ tách sóng quang 40 2. Bộ tách sóng photodiot PIN . 41 3. Photodiot thác 44 4. Cấu hình bộ thu quang 46 5. Các mạch khuyếch đại cuả bộ thu quang . 47

doc50 trang | Chia sẻ: banmai | Ngày: 16/03/2013 | Lượt xem: 689 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
o¶ng 14 GPa. Trong khi ®ã sîi thÐp chÞu 20 GPa. Sù kh¸c nhau ®ã lµ do tÝnh kh«ng thÓ co gi·n ®­îc cña sîi thñy tinh so víi sîi kim lo¹i, khi tíi ng­ìng g©y ®øt, sîi thñy tin cã thÓ gi¶m mét l­îng kh«ng ®¸ng kÓ kho¶ng 1% tr­íc khi bÞ kÐo ®øt. Trªn thùc tÕ, sù tån t¹i nh÷ng tËp trung øng suÊt ë bÒ mÆt cña c¸c vÕt nøc hoÆc vÕt r¹n sÏ giíi h¹n ®é dµi trung b×nh cña c¸c sîi quang dµi n»m trong kho¶ng 700 ®Õn 3500 MPa. Lùc g·y nøt cña ®é dµi sîi ®· cho ®­îc x¸c ®Þnh dùa vµo kÝch cì vµ cÊu tróc h×nh häc cña vÕt nøt nghiªm träng nhÊt trªn sîi. VÝ dô mét kiÓu vÕt nøt c¬ häc sau, nã cã d¹ng h×nh elip nh­ vËy quy vÒ d¹ng chung cã tªn lµ vÕt r¹n Griffich. NÕu gäi ®é réng vÕt nøt lµ W, ®é s©u lµ X vµ b¸n kÝnh ®Çu mót lµ d th× søc bÒn cña vÕt r¹n sîi thñy tinh cã quan hÖ sau: K = Y. d . ÖX trong ®ã: K: c­êng ®é øng suÊt (®¬n vÞ lµ: megaposcal) X: (mm) Y: h»ng sè Gi¸ trÞ lín nhÊt cña K sÏ phô thuéc vµo thµnh phÇn cña thñy tinh nh­ng dù kiÕn n»m trong d¶i tõ 0,6 ¸ 0,9 MN/Cai3P B¸n kÝnh ®Çu W x mót 0 øng suÊt d H×nh 2-7.MÉu gi¶ ®Þnh vÒ vÕt r¹n nøt trªn sîi dÉn quang Nh×n chung, trªn sîi dÉn quang cã chøa nhiÒu vÕt r¹n nøt cã sù ph©n bè ngÉu nhiªn cho nªn lùc g·y ®øt ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh theo thèng kª. NÕu gäi F(d,L) lµ x¸c suÊt tÝch lòy, L lµ chiÒu dµi sîi bÞ giíi h¹n d­íi mét øng suÊt d, vµ gi¶ thiÕt r»ng c¸c vÕt nøt lµ ®éc lËp ®­îc ph©n bè ngÉu nhiªn trªn sîi dÉn quang vµ sù g·y ®øt sÏ x¶y ra ë vÕt nøt nghiªm träng nhÊt, th× ta cã: F(d,L) = 1 - e-LN(d) víi N(d) sè tÝch lòy c¸c vÕt nøt trªn mét ®¬n vÞ ®é dµi cã mét søc bÒn nhá h¬n d. Ng­îc l¹i, ®é mái l¹i liªn quan ®Õn sù lín dÇn cña c¸c vÕt nøt cã trªn sîi dÉn quang d­íi t¸c ®éng cña ®é Èm vµ øng suÊt c¨ng. Sù lín dÇn cña vÕt nøt lµm cho sîi bÞ ®øt ë mét øng suÊt thÊp kÐm so víi øng suÊt dïng ®Ó kiÓm tra ®é bÒn cña sîi. VÕt nøt nh­ vÝ dô trªn sÏ c¾t th«ng qua sîi d©y do sù ¨n mßn cña vËt liÖu sîi t¹i ®Çu mót vÕt nøt. Nguyªn nh©n thø nhÊt lµ sù xuÊt hiÖn cña n­íc tõ m«i tr­êng ngoµi x©m nhËp vµo, nã lµm gi¶m sù liªn kÕt ph©n tö SiO2 trong thuû tinh. Tèc ®é cña ph¶n øng sÏ t¨ng khi sîi chÞu sù t¸c ®éng cña øng suÊt ®Æt vµo nã. Nh­ng theo thùc nghiÖm th× sù mái tÜnh häc sÏ kh«ng x¶y ra nÕu nh­ møc øng xuÊt nhá h¬n xÊp xØ 0,20 søc bÒn. Trong thùc tÕ c¸c lo¹i vá bäc dïng trong sîi dÉn quang hiÖn nay cã kh¶ n¨ng ®Ó b¶o vÖ chèng lai sù ¨n mßn cña m«i tr­êng ngoµi, mét yÕu tè quan träng n÷a lµ ®é mái ®éng. Khi c¸c sîi d©y quang ®Æt vµo trong ®­êng èng c¸p ,nã ph¶i chÞu øng xuÊt lÆp ®i lÆp l¹i do t¸c ®éng cña d©y c¸p lªn. C¸p bÞ d©ng lµ do nh÷ng cä s¸t gi÷ c¸p vµ ®­êng èng hoÆc dông cô dÉn c¸p trong c¸c bÓ c¸p ë c¸c tuyÕn c¸p ®i l­în vßng. C¸p treo còng chÞu c¸c øng xuÊt t¨ng lªn do c¸c t¸c ®éng cña giã . VËt liÖu chÕ t¹o sîi quang bao gåm c¸c lo¹i sau : - Sîi thuû tinh :Chñ yÕu dïng dioxit Silic (SiO2). - Sîi thuû tinh Halogen :Lµ thuû tinh thuéc hä Halogen tõ c¸c nguyªn tè nhãm VII cña b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn . - Sîi thuû tinh tÝch cùc :Lµ sù kÕt hîp c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm vµo sîi thô ®éng b×nh th­êng thuû tinh: - C¸c lo¹i sîi vá chÊt dÎo :Vá th­êng ®­îc chÕ t¹o tõ hçn hîp P«lime cã chØ sè chiÕt suÊt ho¸ bëi dioxit Silic. - Sîi chÊt dÎo : Lµ lo¹i sîi sîi chiÕt xuÊt ph©n bËc cã lâi vµ vá ph¶n x¹ hoµn toµn ®­îc cÊu t¹o tõ vËt liÖu chÊt dÎo . 6. Suy gi¶m tÝn hiÖu trªn sîi dÉn quang: a. Suy hao do hÊp thô: - Sù hÊp thô cña c¸c t¹p chÊt kim lo¹i: C¸c t¹p chÊt kim lo¹i trong thuû tinh lµ mét trong nh÷ng nguån hÊp thô n¨ng l­îng ¸nh s¸ng. C¸c t¹p chÊt th­êng gÆp lµ S¾t (Fe), §ång (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Niken (Ni). Møc ®é hÊp thô cña tõng lo¹i t¹p chÊt phô thuéc vµo nång ®é t¹p chÊt vµ b­íc sãng ¸nh s¸ng truyÒn qua nã. Víi nång ®é t¹p chÊt mét phÇn triÖu (10-6) th× ®é hÊp thô cña vµi t¹p chÊt nh­ trªn. H×nh2-8: §é hÊp thô cña c¸c t¹p chÊt kim lo¹i §Ó cã ®­îc sîi quang cã ®é suy hao d­íi 1 dB/Km cÇn ph¶i cã thuû tinh thËt tinh khiÕt víi nång ®é t¹p chÊt kh«ng qu¸ mét phÇn tØ (10-9). - Sù hÊp thô cña ion OH: Sù cã mÆt cña c¸c ion OH trong sîi quang còng t¹o ra mét ®é suy hao hÊp thô ®¸ng kÓ. §Æc biÖt, ®é hÊp thô t¨ng vät ë c¸c b­íc sãng gÇn 950nm, 1240nm, 1400nm. Nh­ vËy ®é Èm còng lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n g©y suy hao cña sîi quang. Trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o nång ®é cña c¸c ion OH trong lâi sîi ®­îc gi÷ ë møc d­íi mét phÇn tØ ®Ó gi¶m ®é hÊp thô cña nã. H×nh2-9: §é hÊp thô cña ion OH(víi nång ®é 10-6) - Sù hÊp thô b»ng cùc tÝm vµ hång ngo¹i: Ngay c¶ khi sîi quang vµ thuû tinh cã ®é tinh khiÕt cao sù hÊp thô vÉn x¶y ra. B¶n th©n thuû tinh tinh khiÕt còng hÊp thô ¸nh s¸ng trong vïng cùc tÝm vµ vïng hång ngo¹i. §é hÊp thô thay ®æi theo b­íc sãng, sù hÊp thô trong vïng hång ngo¹i g©y trë ng¹i cho khuynh h­íng sö dông c¸c b­íc sãng dµi trong th«ng tin quang. H×nh2-10: Suy hao hÊp thô vïng cùc tÝm vµ hång ngo¹i b. Suy hao do t¸n x¹ - T¸n x¹ Rayleigh: Nãi chung khi sãng ®iÖn tõ truyÒn trong m«i tr­êng ®iÖn m«i gÆp nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt sÏ x¶y ra hiÖn t­îng t¸n x¹. Nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt sÏ x¶y ra hiÖn t­îng t¸n x¹. Nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt trong sîi quang do c¸ch s¾p xÕp cña c¸c phÇn tö thuû tinh, c¸c khuyÕt tËt cña sîi nh­ bät kh«ng khÝ, c¸c vÕt nøt ... khi kÝch th­íc cña vïng kh«ng ®ång nhÊt vµo kho¶ng mét phÇn m­êi b­íc sãng th× chóng trë thµnh nh÷ng nguån ®iÓm ®Ó t¸n x¹. C¸c tia s¸ng truyÒn qua nh÷ng chç kh«ng ®ång nhÊt nµy sÏ to¶ ra nhiÒu h­íng. ChØ mét phÇn n¨ng l­îng ¸nh s¸ng tiÕp tôc truyÒn theo h­íng cò, phÇn cßn l¹i truyÒn theo h­íng kh¸c, thËm chÝ truyÒn ng­îc vÒ phÝa nguån quang. §é suy hao cña t¸n x¹ Rayleigh tû lÖ nghÞch víi luü thõa bËc 4 cña b­íc sãng (l-4) nªn gi¶m rÊt nhanh vÒ b­íc sãng dµi. ë b­íc sãng 850nm suy hao do t¸n x¹ Rayleigh cña sîi silica kho¶ng 1 ®Õn 2 db/km vµ ë b­íc sãng 1300nm suy hao chØ kho¶ng 0,3db/km. ë b­íc sãng 1550nm suy hao nµy cßn thÊp h¬n n÷a. CÇn l­u ý r»ng t¸n x¹ Rayleigh lµ mét nguyªn nh©n g©y suy hao cho sîi quang nh­ng hiÖn t­îng nµy l¹i ®­îc øng dông ®Ó ®o l­êng trong c¸c m¸y ®o quang déi. H×nh2-11:Suy hao do t¸n x¹ Rayleigh - T¸n x¹ do mÆt ph©n c¸ch gi÷a lâi vµ líp bäc kh«ng hoµn h¶o: Khi tia s¸ng truyÒn ®Õn nh÷ng chç kh«ng hoµn h¶o gi÷a lâi vµ líp bäc tia s¸ng sÏ bÞ t¸n x¹. Lóc ®ã mét tia tíi sÏ cã nhiÒu tia ph¶n x¹ víi c¸c gãc ph¶n x¹ kh¸c nhau. Nh÷ng tia cã gãc ph¶n x¹ nhá h¬n gãc tíi h¹n sÏ khóc x¹ ra líp bäc vµ bÞ suy hao dÇn. c. Suy hao do sîi bÞ uèn cong: - Vi uèn cong: Khi sîi quang bÞ chÌn Ðp t¹o nªn nh÷ng chç uèn cong nhá th× suy hao cña sîi còng t¨ng lªn. Sù suy hao nµy xuÊt hiÖn do tia s¸ng bÞ lÖch trôc khi ®i qua nh÷ng chç vi uèn cong ®ã. Mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n, sù ph©n bè tr­êng bÞ x¸o trén khi ®i qua nh÷ng chç vi uèn cong vµ dÉn tíi sù ph¸t x¹ n¨ng l­îng ra khái lâi sîi. §Æc biÖt sîi ®¬n mode rÊt nh¹y c¶m víi nh÷ng chç vi uèn cong, nhÊt lµ vÒ phÝa b­íc sãng dµi. - Uèn cong khi sîi bÞ uèn cong víi b¸n kÝnh uèn cong cµng nhá th× suy hao cµng t¨ng. DÜ nhiªn kh«ng thÓ tr¸nh ®­îc viÖc uèn cong sîi quang trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt. Song nÕu gi÷ cho b¸n kÝnh uèn cong lín h¬n mét b¸n kÝnh tèi thiÓu cho phÐp th× suy hao do uèn cong kh«ng ®¸ng kÓ. B¸n kÝnh uèn cong tèi thiÓu do nhµ s¶n xuÊt ®Ò nghÞ th«ng th­êng tõ 30mm ®Õn 50mm. H×nh2-12: Suy hao do uèn cong thay ®æi theo b¸n kÝnh R Ch­¬ng III: C¸p quang 1.Kh¸i qu¸t chung: §Ó ®­a ®­îc sîi dÉn quang vµo sö dông trong m«i tr­êng thùc tÕ cña m¹ng l­íi viÔn th«ng, c¸c sîi cÇn ph¶i kÕt hîp l¹i thµnh c¸p víi m«i tr­êng l¾p ®Æt. CÊu tróc cña c¸p sîi quang rÊt ®a d¹ng vµ kh¸c nhau ë nhiÒu ®iÓm, tuú thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn cô thÓ vµ dùa vµo m«i tr­êng ®Æt c¸p mµ cp¸ quang còng cã c¸c tªn nh­ c¸p kim lo¹i lµ: - c¸p ch«n trùc tiÕp d­íi ®Êt - c¸p kÐo trong cèng - c¸p treo ngoµi trêi - C¸p ®Æt trong nhµ - C¸p nèi gi÷a c¸c thiÕt bÞ - C¸p ngËp n­íc - C¸p th¶ biÓn... §èi víi tõng lo¹i c¸p kh¸c nhau sÏ cã thiÕt kÕ kh¸c nhau, nh­ng c¸c nguyªn lý c¬ b¶n vÒ thiÕt kÕ ®Òu ph¶i cã trong mäi lo¹i c¸p. §Æc thï vÒ cÊu tróc sîi quang cã ®­îc lµ do cã ®Æc tÝnh c¬ häc cña sîi thuû tinh. Mét ®Æc tÝnh c¬ häc quan träng lµ t¶i träng quanh trôc cho phÐp lín nhÊt trªn c¸p v× yÕu tè nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é dµi cña c¸p ®­îc ®Æt. 2. C¸c phÇn tö cña c¸p: Còng nh­ c¸p kim lo¹i ,c¸p quang c òng cã nh÷ng yªu cÇu ,®Æc ®iÓm cÇn ph¶i ®¸p øng tr­íc hÕt líp vá bao bªn ngoµi ®Ó b¶o vÖ sîi quang khái ¶nh h­ëng cña m«i tr­êng nh­ c«n trïng, ®é Èm, nhiÖt ®é hoÆc c¸c lùc c¬ häc t¸c ®éng. C¸p cÇn ®¸p øng c¸c yªu cÇu sau: - Kh«ng bÞ ¶nh h­ëng nhiÔu ®iÖn tö. - Kh«ng thÊm n­íc, läc n­íc. - Chèng ®­îc c¸c ¶nh h­ëng cña t¸c ®éng c¬ häc nh­ va ch¹m, lùc kÐo, lùc nÐn, uèn cong .... - æn ®Þnh nhiÖt khi nhiÖt ®é thay ®æi. - Ýt bÞ b·o hoµ ,cã thêi gian lµm viÖc l©u. - Träng l­îng nhá vµ kÝch th­íc bÐ. CÊu t¹o cña c¸p quang gåm: a. Lâi c¸p : C¸c sîi c¸p ®· ®­îc bäc chÆt n»m trong cÊu tróc láng ,c¶ sîi vµ cÊu tróc láng hoÆc r·nh kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh lâi c¸p .Lâi th­êng bao quanh phÇn tö gia c­êng cña c¸p. C¸c thµnh phÇn t¹o r·nh hoÆc c¸c èng bäc th­êng ®­îc lµm b»ng chÊt dÎo. B¶ng 3-1: C¸c ®Æc tÝnh vËt liÖu dïng lµm lâi : VËt liÖu Lùc c¨ng (KG/mm2) §é gi¶m dµi ph¸ huû c¸p (90) Module young (KG/mm2. 102) Gi¶m nhiÖt 10-5/0C Sîi quang 500 5 71 0,05 Nylon 5,6 ¸ 6,5 300 1,3 ¸ 2,4 20 Polyethylene: MËt ®é cao 2,1 ¸ 3,8 15 ¸ 100 0,4 ¸ 0,7 11 ¸ 13 Polyethylene: MËt ®é thÊp 0,7 ¸ 1,4 90 ¸ 650 0,1 ¸ 0,24 10 ¸ 22 Polypropylene 3,3 ¸ 4,2 200 ¸ 700 1,1 ¸ 1,4 8 ¸ 9,5 Polyvinilehlo Rride (PVC) 0,7 ¸ 0,24 200 ¸ 400 0,1 7 ¸ 21 Fluoroethylen Propylene (FEP) 2 ¸ 3,2 250 ¸ 330 0,35 8,3 ¸ 10,5 Plybuthylen Terephthalete (PBT) ~ 6 200 2,5 6 ¸ 9 b. Thµnh phÇn gia c­êng: lµ c¸c phÇn tö t¹o cho c¸p cã lùc c¬ häc cÇn thiÕt ®Ó chÞu ®­îc c¨ng vµ co ®Æc biÖt lµ b¶o ®¶m tÝnh æn ®Þnh cho c¸p. C¸c vËt liÖu cã Modul Young cao th­êng ®­îc sö dông lµm thµnh phÇn gia c­êng .Ngoµi ra,yªu cÇu vËt liÖu gia c­êng lµ ph¶i nhÑ ,cã ®é mÒm dÎo .§ay lµ c¸c ®Æc tÝnh quang träng qu¸ tr×nh l¾p ®Æt kÐo c¸p trong cèng .Thµnh phÇn gia c­êng lµ kim lo¹i hay phi kim .Nã cã thÓ ®­îc ®Æt ë t©m c¸p hoÆc ph©n bè ë c¸c líp ngoµi ®ång t©m víi c¸p . B¶ng 3-2: C¸c ®Æc ®iÓm cña vËt liÖu thµnh phÇn gia c­êng. VËt liÖu Träng l­îng riªng Modul young (KG/mm2) øng suÊt thu ®­îc (KG/mm2) §é gi·n dµi thu ®­îc (90) øng suÊt ph¸ vì (KG/mm2) §é gi·n dµi g·y ®øt (90) - Sîi thÐp - Sîi cacbon - Sîi chÊt dÎo pha thñy tinh (GFRP) - Kevlav 49 - Kevlav 29 7,86 1,5 2,48 1,44 1,44 20 . 103 10-20.103 9 . 103 13 . 103 6 . 103 40 – 150 150 – 200 300 300 70 0,2 – 1 1 - 1,5 3 2 1,2 50 – 300 150 – 200 300 300 300 20 - 25 1,5 2,4 2 4 C¸c thµnh phÇn kim lo¹i th­êng lµ thÐp v× thÐp cã modul Young cao,hÖ sè gi·n në nhiÖt thÊp. ThÐp lµ vËt liÖu kh«ng ®¾t nh­ng cÇn ph¶i b¶o vÖ chèng ¨n mßn vµ chèng phãng ®iÖn khi cã ®iÖn ¸p trªn nã. Dïng thÐp lµm thµnh phÇn gia c­êng sÏ kh«ng hîp víi c¸c lo¹i thÐp cã yªu cÇu cã tÝnh mÒn dÎo cao. C¸c thµnh phÇn gia c­êng phi kim lo¹i th­êng lµ c¸c sîi dÎo pha thuû tinh hoÆc sîi aramid.C¸c sîi aramid kh«ng cã hiÖu qu¶ trong viÖc chèng hiÖu øng co, v× vËy th­êng ®­îc ®Æt ë phÇn ngoµi cña c¸p. Modul Young cña sîi aramid rÊt cao, träng l­îng rÊt thÊp cho nªn nã c¹nh tranh víi c¶ thÐp.C¸c lo¹i c¸p sîi quang chØ sö dông c¸c thµnh phÇn gia c­êng lµ chÊt dÎo hoÆc sîi aramid gäi lµ c¸p phi kim lo¹i, c¸p nµy cã träng l­îng nhá vµ kh«ng nh¹y c¶m víi ¶nh h­ëng cña tr­êng ®iÖn. C¸c sîi c¸cbon còng cã thÓ lµm gia c­ßng cho c¸p nh­ng gi¸ thµnh cao nªn ch­a ®­îc sö dông réng r·i. c.Vá c¸p: Vá c¸p sîi quang cã chøc n¨ng c¬ b¶n lµ b¶o vÖ c¸p vµ cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh tuæi thä cña c¸p .Vá c¸p cã thÓ ®­îc bäc ®Öm ®Ó b¶o vÖ lâi c¸p khái bÞ c¸c t¸c ®éng cña øng xuÊt c¬ häc vµ m«i tr­êng bªn ngoµi .VËt liÖu chÕ t¹o vá ngoµi c¸p th­êng lµ PVCpolyetylen vµ Polyurthane vµ p«lyurethane. Trong c¸c vËt liÖu nµy, PVC cã c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc tèt, rÊt mÒm dÎo vµ chËm b¾t löa, nh­ng l¹i dÔ hót Èm. P«lyªthylen cã ®é hót Èm thÊp h¬n PVC kho¶ng 100 lÇn, cã ®Æc tÝnh c¬ häc vµ ho¸ häc cao nh­ng l¹i dÔ ch¸y vµ Ýt mÒm dÎo h¬n PVC. P«lyurethan cã ®é ma s¸t thÊp cho nªn rÊt phï hîp cho c¸p kÐo trong èng.Cßn p«lyurethan th­êng lµm vá bäc trong cña c¸p v× nã rÊt mÒm, nã kh«ng ®­îc sö dông lµm vá bäc ngoµi v× cã hÖ sè ma s¸t cao, c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc thÊp. Vá bäc,kim lo¹i cña c¸p th­êng lµ c¸c b¨ng thÐp nh½n hoÆc c¸c sîi thÐp xÕp thµnh h×nh vá bäc. C¸c vá nµy th­êng dïng cho c¸c lo¹i c¸p ch«n trùc tiÕp ®Ó b¶o vÖ chèng c¸c øng suÊt c¬ häc,gÆm nhÊm, chèng sù ph¸ huû cña c«n trïng vµ c¸c sinh vËt. CÊu t¹o chung cña c¸p . 1 1 1 2 2 3 3 3 2 2 1. PhÇn tö gia c­êng 2. Lâi c¸p 3. Vá bäc PVC ¦u ®iÓm cña c¸p quang v× lµ phi kim kh«ng cã hiÖn t­îng c¶m øng ®iÖn tõ nªn cã thÓ l¾p ®Æt c¹nh c¸c ®­êng cña ®iÖn lùc vµ n¬i kh¸c. VËt liÖu chÕ t¹o rÎ, tiªu hao nhá d­íi 1ds/km d¶i tÇn truyÒn dÉn réng, tèc ®é truyÒn dÉn cao ®¹t ®Õn hµng chôc Gbit/s... Ngoµi ra c¸p quang cßn cã mét sè nh­îc ®iÓm vÒ tÝnh chÊt vµ kü thuËt ®ã lµ v× thµnh phÇn lâi lµ sîi quang rÊt gißn, dÔ g·y do t¸c ®éng gi·n në kÐo dµi. Cßn vÒ ph­¬ng diÖn truyÒn nãng th× nÕu c¸p uèn cong ngoµi yªu cÇu cho phÐp th× sÏ dÉn ®Õn sù suy hao th«ng tin truyÒn trong c¸p... Ngoµi ra ­u nh­îc ®iÓm cña c¸p quang cßn phô thuéc vµo sù ph©n lo¹i sö dông c¸p theo yªu cÇu kü thuËt nh­ c¸p truyÒn dÉn ®­êng dµi, néi h¹t hay lµ trªn m¹ng trung kÕ... vµ theo yªu cÇu vÒ ®Þa lý nh­ c¸p ch«n trong cèng, c¸p th¶ d­íi n­íc... 3.C¸c lo¹i c¸p vµ øng dông : ThiÕt kÕ vµ lùa chän c¸p sîi quang chñ yÕu phô thuéc vµo m«i tr­êng l¾p ®Æt. Cã rÊt nhiÒu nhµ chÕ t¹o c¸p cho ra c¸c chñng lo¹i c¸p rÊt ®a d¹ng,nh­ng nh×n chung s¶n phÈm c¸p sîi quang ®­îc ph©n ra c¸c lo¹i chÝnh sau ®©y: a.C¸p treo C¸p treo cã thÓ cã cÊu t¹o «m s¸t vµo thµnh phÇn gia c­êng kim lo¹i hoÆc phi kim lo¹i ®éc lËp, hoÆc d­íi d¹ng tù chÞu lùc. C¸p ë tr­êng hîp thø nhÊt th­êng dïng cho m«i tr­êng cã b¨ng tuyÕt vµ giã, cã cù ly dµi. T­êng hîp thø hai lµ c¸p tù chÞu lùc, c¸p chÞu ¶nh h­ëng cña øng suÊt c¬ häc vµ nhiÖt ®é. C¸p tù chÞu lùc ®ßi hái cã søc bÒn cao vµ cÇn ph¶i ë d¹ng cÊu tróc bäc láng ®Ó sîi cã kho¶ng tù do lín h¬n. b.C¸p treo trong cèng C¸p treo trong cèng ph¶i chÞu ®­îc lùc kÐm vµ xo¾n, cã träng lùc nhÑ ®Ó dÔ ®Æt vµ ph¶i rÊt mÒn dÎo ®Ó v­ît qua c¸c ch­íng ng¹i trong khi l¾p ®Æt. Lo¹i c¸p nµy còng ph¶i chÞu ®­îc Èm vµ n­íc v× trong cèng c¸p th­êng hay ®äng n­íc. ChÝnh v× vËy trong cÊu tróc cña c¸p th­êng cã chÊt ®én jelly vµ thµnh phÇn chèng Èm b»ng kim lo¹i. Trong tr­êng hîp c¸p kh«ng ®­îc ®én ®Çy th× cÇn ph¶i cã hÖ thèng b¬m h¬i cho c¸p. Líp bäc thÐp ®«i khi còng ®­¬c sö dông vµo lo¹i c¸p nµy ®Ó chèng gÆm nhÊm vµ c«n trïng. C¸p kÐo trong cèng cã ë tÊt c¶ c¸c d¹ng cÊu tróc bäc chÆt, bäc láng trong èng, bäc láng b»ng khe d­íi d¹ng b¨ng hoÆc bã sîi. c.C¸p tr«n trùc tiÕp. C¸c ®Æc ®iÓm cña c¸p tr«n trùc tiÕp t­îng tù nh­ c¸p kÐo trong cèng võa xÐt ë trªn nh­ng cã b¶o vÖ tèt h¬n thÓ hiÖn ë mét sè ®iÓm lµ c¸p tr«n th­¬ng ph¶i cã líp vá bäc lim lo¹i tèt ®Ó tr¸nh sù ph¸ huû do ®µo bíi ®Êt hoÆc c¸c t¸c ®«ng kh¸c trong ®Êt. Vá béc thÐp bªn ngoµi gåm c¸c sîi thÐp hoÆc c¸c b¨ng thÐp. Vá bäc ngoµi líp thÐp nµy lµ vá chÊt dÎo. C¸p ch«n trùc tiÕp còng cã ®ñ c¸c d¹ng cÊu ytóc bäc chÆt, láng trong èng vµ khe, d¹ng b¨ng vµ bã sîi. d. C¸p ®Æt trong nhµ vµ c¸p nh¶y. Lo¹i c¸p nµy th­êng cã sè sîi dÉn quang Ýt, c¸c ®Æc tÝnh chñ yÕu lµ: kÝch th­íc bªn ngoµi nhá, mÒm dÎo, cho phÐp uèn cong, dÔ dµng thao t¸c vµ hµn nèi. C¸p cÇn cã ®Æc tÝnh chèng gÆm nhÊm tèt. V× lo¹i c¸p nµy th­êng b¸m s¸t t­êng nhµ vµ thiÕt bÞ cho nªn nã ph¶i b¶o ®¶m kh«ng dÉn löa, kh«ng ph¸t ra khÝ ®éc trong phßng. CÊu tróc lo¹i c¸p nµy th­êng ë d¹ng bäc chÆt ®Ó b¶o ®¶m kÝch tr­íc nhá vµ ch¾c. e. C¸p ngËp n­íc vµ th¶ biÓn C¸p ngËp n­íc sö dông ®Ó th¶ qua s«ng hoÆc qua khu vùc cã n­íc ngËp c¹n, ®ång lÇy..., v× vËy lo¹i c¸p nµy cÇn ph¶i ®¸p øng c¸c yªu cÇu sau: + TÝnh chèng Èm vµ chèng thÊm nøoc t¹i c¸c vïng cã ¸p suÊt ®Æc biÖt lín. + Cã kh¶ n¨ng chèng sù dÉn n­íc däc theo c¸p + Cã kh¶ n¨ng chÞu ®­îc sù kÐo khi l¾p ®Æt vµ söa ch÷a c¸p. + Chèng l¹i ®­îc c¸c ¸p lùc thèng kª. + Cho kh¶ n¨ng hµn nèi söa ch÷a dÔ dµng. + Cã cÊu tróc t­¬ng thÝch víi c¸p ®Æt trªn ®Êt liÒn. CÊu tróc cña c¸p th¶ biÓn ®ßi hái rÊt phøc t¹p. Cã thÓ xem ®©y lµ c¸p ®Æc chñng v× nã ®ßi hái nhiÒu yªu cÇu cßn kh¾t khe h¬n lo¹i c¸p ngËp n­íc ë trªn nhiÒu lÇn.Ngoµi c¸c yÕu tè trªn, c¸p th¶ biÓn cßn ph¶i chÞu t¸c ®éng ®Æc biÖt kh¸c nh­ kh¶ n¨ng th©m nhËp cña n­íc biÓn, sù ph¸ ho¹i cña c¸c ®äng vËt d­íi biÓn, sù cä s¸t cña tµu thuyÒn... Ch­¬ng iv: phÇn tö chuyÓn ®æi ®iÖn quang-quang ®iÖn I. PhÇn biÕn ®æi ®iÖn quang: * C¸c chøc n¨ng chung: Linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn ®­îc ®Æt ë hai ®Çu sîi quang, cã hai lo¹i linh kiÖn quang ®iÖn : - Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn sang tÝn hiÖu quang, ®­îc gäi lµ nguån quang linh kiÖn nµy cã nhiÖm vô ph¸t ra ¸nh s¸ng cã c«ng suÊt tû lÖ víi dßng ®iÖn ch¹y qua nã. N¨ng l­îng ®iÖn tö T¸i hîp ®iÖn tö vµ lç trèng Dßng lç trèng hv = 820 nm - 1,51eV + Vïng tÝch cùc Vïng dÉn sãng - Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn. Cßn gäi lµ linh kiÖn t¸ch sãng quang,(hay linh kiÖn thu quang). Linh kiÖn nµy cÝ nhiÖm vô ng­îc l¹i so víi nguån quang, tøc lµ t¹o ra dßng ®iÖn cã c­êng ®é tû lÖ víi c«ng suÊt quang chiÕu vµo nã. ChÊt l­îng cña c¸c linh kiÖn biÕn ®æi quang ®iÖn vµ chÊt l­îng cña sîi quang quyÕt ®Þnh cù ly, dung l­îng vµ chÊt l­îng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. §i«t ph¸t quang LED a. CÊu tróc cña LED. CÊu tróc cña LED (Light - EmittinPg Diode) lµ mét lo¹i nguån ph¸t quang cho c¸c hÖ thèng cã tèc ®é bit d­íi 200 Mbit/s sö dông sîi ®a Mode. Tuy nhiªn ngµy nay trong phßng thÝ nghiÖm ng­êi ta cã thÓ sö dông ë c¶ tèc ®é bÝt tíi 565MbÝt/s do cã sù c¶i tiÕn c«ng nghÖ cao. §Ó sö dông tèt trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, LED ph¶i cã c«ng suÊt bøc x¹ cao, thêi gian ®¸p øng nhanh vµ hiÖu suÊt l­îng tö cao. Sù bøc x¹ cña nã lµ c«ng suÊt quang ph¸t x¹ theo gãc trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña bÒ mÆt ph¸t vµ ®­îc tÝnh b»ng Watt. ChÝnh c«ng suÊt bøc x¹ cao sÏ t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc ghÐp gi÷a sîi dÉn quang vµ LED dÔ dµng vµ ®­a ra ®­îc c«ng suÊt ph¸t ra tõ ®Çu sîi lín. Cã hai lo¹i: cÊu tróc LED ®­îc sö dông réng r·i lµ cÊu tróc tiÕp gi¸p thuÇn nhÊt vµ cÊu tróc tiÕp gi¸p dÞ thÓ kÐp ( kh«ng thuÇn nhÊt).Tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t vµ tiÕn hµnh nghiªn cøu vµ ®iÒu tra, ng­êi ta thÊy cÊu h×nh dÞ thÓ kÐp mang l¹i hiÖu qu¶ nhÊt vµ ®­îc øng dông nhiÒu nhÊt. Vïng chiÕt suÊt thÊp Vïng chiÕt suÊt cao Vïng chiÕt suÊt cao Suy hao Vïng tÝch cùc D¶i kim lo¹i Cæng ph¸t -200 00 200 -100 00 100 -100 00 100 CÊu tróc cña dÞ thÓ kÐp cã hai líp hîp kim kh¸c nhau ë mçi bªn cña vïng b¸n dÉn tÝch cùc, ®©y còng lµ cÊu tróc ®­îc triÓn khai rÊt sím tr­íc khi nghiªn cøu Laser. Víi cÊu tróc nµy, c¸c h¹t mang vµ tr­êng quang ®Òu ®­îc gi÷ ë trong líp tÝch cùc n»m ë trung t©m. Sù kh¸c nhau vÒ d¶i cÊm cña c¸c líp l©n cËn H×nh 4-1: CÊu tróc dÞ thÓ kÐp tiªu biÓu sÏ giíi h¹n c¸c h¹t mang ®iÖn tÝch. Trong khi ®ã tån t¹i sù kh¸c vÒ chØ sè chiÕt suÊt cña c¸c líp l©n cËn l¹i giíi h¹n tr­êng quang tíi líp tÝch cùc ë trung t©m. §iÒu nµy t¹o ra sù ph¸t x¹ cao rÊt cã hiÖu qu¶. ë ®©y, c¸c tham sè kh¸c cã ¶nh h­ëng tíi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ lµ sù hÊp thô ¸nh s¸ng trong vïng tÝch cùc ( Tù hÊp thô ), sù t¸i kÕt hîp h¹t mang phun vµo vµ ®é dÇy cña líp tÝch cùc. LED cã hai lo¹i cÊu tróc ®­îc sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang lµ cÊu tróc ph¸t mÆt ( LED ph¸t mÆt )vµ cÊu tróc ph¸t c¹nh ( LED ph¸t c¹nh ). §èi víi ph¸t mÆt th× mÆt ph¼ng cña vïng ph¸t ra ¸nh s¸ng vu«ng gãc víi trôc cña sîi dÉn quang. Vïng tÝch cùc th­êng cã d¹ng phiÕn trßn, ®­êng kÝnh kho¶ng 50 mm vµ ®é dµy kho¶ng 2,5 mm. MÉu ph¸i chñ yÕu lµ ®¼ng h­íng víi ®é réng chïm ph¸i kho¶ng 1200. MÉu ®¼ng h­íng nµy cßn ®­îc gäi lµ mÉu lambertian, khi quan s¸t tõ bÊt k× h­íng nµo th× ®é réng cña nguån ph¸t còng ngang b»ng nhau nh­ng c«ng suÊt l¹i gi¶m theo hµm cosq víi q lµ gãc hîp gi÷a h­íng quan s¸t víi ph¸p tuyÕn cña bÒ mÆt. Cèng suÊt nµy gi¶m xuèng 50% so víi ®Ønh khi q = 60°. LED ph¸t c¹nh cã cÊu tróc gåm mét vïng tiÕp gi¸p tÝch cùc cã vai trß lµ nguån ph¸t ¸nh s¸ng kh«ng kÕt hîp, vµ hai líp dÉn.C¶ hai líp dÉn ®Òu cã chiÕt suÊt thÊp h¬n chØ sè chiÕt suÊt cña vïng tÝch cùc nh­ng l¹i cao h¬n chØ sè chiÕt suÊt cña c¸c vËt liÖu bao quanh. CÊu tróc nµy h×nh thµnh mét kªnh dÉn nãng ®Ó h­íng sù ph¸t x¹ ¸nh s¸ng vÒ phÝa lâi sîi. §Ó t­¬ng quan víi lâi sîi dÉn quang cã ®­êng kÝnh nhá tõ 50 ¸ 100 mm, c¸c d¶i tiÕp xóc víi LED ph¸t c¹nh ph¶i réng tõ 50 ¸ 70 mm. §é dµi cña c¸c vïng tÝch cùc th­êng lµ 100 ¸ 150 mm. MÉu ph¸t cña LED ph¸t c¹nh cã ®Þnh h­íng tèt h¬n so víi LED ph¸t mÆt. Si02 Si02 PhiÕn táa nhiÖt VËt liÖu bao phñ Kim lo¹i hãa ChÊt nÒn Líp cÊu tróc dÞ thÓ kÐp Sîi quang GiÕng kh¾c h×nh trßn C¸c líp h¹n chÕ H×nh 4-2: CÊu tróc LED ph¸t mÆt Gi¶i tiÕp xóc MiÒn ho¹t tÝnh Kim lo¹i ChÊt nÒn Táa nhiÖt Líp dÉn ¸nh s¸ng Líp Si02 c¸ch ®iÖn C¸c líp dÞ thÓ kÐp ¸nh s¸ng ra kÕt hîp H×nh 4-3: CÊu tróc LED ph¸t c¹nh b. VËt liÖu cña nguån ph¸t quang: c¸c vËt liÖu b¸n dÉn ®­îc dïng cho líp tÝch cùc cña nguån ph¸t quang trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ph¶i cã d¶i cÊm trùc tiÕp. Trong b¸n dÉn cã d¶i cÊm trùc tiÕp, c¸c ®iÖn tö vµ lç trèng cã thÓ t¸i kÕt hîp trùc tiÕp qua d¶i cÊm mµ kh«ng cÇn qua phÇn tö thø ba ®Ó b¶o tån ®éng l­îng. ChØ cã vËt liÖu d¶i cÊm trùc tiÕp míi cã sù t¸i kÕt hîp ®ñ lín ®Ó ®­a ra ®­îc møc ph¸t quang tho¶ ®¸ng. Trong thùc tÕ kh«ng tån t¹i b¸n dÉn ®¬n ph©n tö cho c¸c d¶i cÊm trùc tiÕp, mµ vËt liÖu d¶i cÊm trùc tiÕp chØ cã thÓ t¹o ra tõ c¸c hçn hîp ghÐp ph©n tö. B¶ng 4-1: §Æc tÝnh d¶i cÊm vµ b­íc sãng cña c¸c vËt liÖu ghÐp Lo¹i vËt liÖu Tªn vËt liÖu D¶i cÊm B­íc sãng C¸c vËt liÖu hai thµnh phÇn GaP (Gali - Phèt pho) GaAs (Gali - Asªn) AlAs (Nh«m - Asen) InP (In®i - Phèt pho) InAs (in®i - Asen) 2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 mm 0,59 mm 0,87 mm 0,93 mm 3,6 mm VËt liÖu 3 vµ 4 thµnh phÇn AlGaAs (Nh«m-Gali-Asen) InGaAsP(In®i-Gali-Asen) 1,42 ¸ 1,6 eV 0,74 ¸ 1,13 eV 6,77 ¸ 0,87 mm 1,1 ¸ 1,67 mm c. §iot ph¸t quang LED cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang: Khi c«ng nghÖ th«ng tin quang ch­a ®­îc ph¸t triÓn, ®iot quang th­êng dïng cho c¸c sîi dÉn quang ®a mode. Nh­ng chØ sau mét thêi gian ng¾n, khi mµ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®­îc triÓn khai kh¸ réng r·i, c¸c sîi dÉn quang ®¬n mode ®­îc ¸p dông vµo c¸c hÖ thèng th«ng tin quang lµ chñ yÕu th× LED còng ®· cã d­íi d¹ng s¶n phÈm lµ c¸c modul cã sîi dÉn ra ( Pigtail ) lµ sîi dÉn quang ®¬n mode. V× vËy ë ®©y ta còng chØ chñ yÕu xem xÐt LED cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi ®¬n mode. C¸c ®iot ph¸t quang dïng cho sîi ®¬n mode SMF ( Single Mode Fibre ) lµ c¸c nguån ph¸t hÊp dÉn ®èi víi m¹ng néi h¹t vµ c¸c tuyÕn cã cù ly ng¾n kh¸c v× nã cã gi¸ thµnh rÎ. C«ng suÊt quang ®Çu ra cña nã Ýt phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ th­êng chóng cã m¹ch ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n. d. §Æc tÝnh øng dông cña c¸c diot ph¸t quang: Cã hai d¹ng cÊu tróc cña LED s½n cã lµ ph¸t mÆt vµ ph¸t c¹nh. Qu¸ tr×nh ®ãng thµnh s¶n phÈm modul kh¸ ®¬n gi¶n vµ ®iÒu nµy gióp cho chi phÝ vÒ gi¸ thµnh thÊp. Lo¹i diot ph¸t c¹nh ELED cßn ph¶i b¶o ®¶m ®é tin cËy ®Ó duy tr× chÊt l­îng th«ng tin tèt. C¸c møc c«ng suÊt th­êng ghÐp víi ELED n»m trong kho¶ng tõ 2 ¸ 10 mm ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é phßng. Cã mét sè lo¹i ®Æc biÖt cã thÓ t¹o ra c«ng suÊt lín h¬n do cã sù ph¸t x¹ cùc khoÎ. Tuy nhiªn c«ng suÊt thªm nµy còng bÞ rµng buéc víi ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é thay ®æi. Tèc ®é ®iÒu biÕn phô thuéc vµo cÊu tróc cña nguån ph¸t LED vµ ®iÒu kiÖn ®iÓu khiÓn. C¸c thiÕt bÞ ë thÞ tr­êng hiÖn nay ®¹t tèc ®é 200 mbit/s cßn thiÕt bÞ thùc nghiÖm cho ELED th× cao h¬n ®¹t 565 mbit/s ®Õn 1,2 Gbit/s. Lo¹i LED ph¸t mÆt sö dông víi s¬i ®¬n mode cã ­u ®iÓm ®ã lµ liªn kÕt ®¬n gi¶n nh­ng c«ng suÊt ph¸t ra t­¬ng ®èi thÊp, kho¶ng 1,5 mW khi lµm viÖc ë tèc ®é 565 mbit/s vµ d¶i phæ réng. Thùc tÕ sö dông LED víi sîi dÉn quang ®¬n Mode ®· thu ®­îc kÕt qu¶ kh¸ kh¶ quan. Thùc nghiÖm ®é dµi tuyÕn ®¹t tíi 9,6 Km ë tèc ®é 2 Gbit/s vµ 100 Km víi ®é 16 mbit/s. §é dµi tuyÕn bÞ giíi h¹n v× quý c«ng suÊt vµ t¸n s¾c g©y ra do ®é réng phæ cña LED. Tuy nhiªn, c¸c tuyÕn th«ng tin trªn thùc tÕ th× sù sai sè vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o còng nh­ sù thay ®æi nhiÖt ®é ®èi víi b­íc sãng trung t©m cña LED,®é réng phæ cho t¸n s¾c sîi, sù thay ®æi suy hao. Nh­ vËy c¶ hai lo¹i LED ph¸t c¹nh vµ ph¸t mÆt ®Òu cã thÓ sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi ®¬n mode. Chóng cã ­u ®iÓm dÔ dµng nhËn thÊy lµ gi¸ thµnh thÊp vµ ®é tin cËy cao. C¸c ­u ®iÓm nµy cã thÓ phï hîp víi c¸c gi¶i ph¸p x©y dùng m¹ng néi h¹t vµ c¸c tuyÕn th«ng tin quang cã cù li vµi km tèc ®é trung b×nh vµ thÊp mét c¸ch cã hiÖu qu¶. B¶ng4-2: C¸c ®Æc tÝnh ELED tiªu biÓu - C«ng suÊt ra ®èi víi sîi ®¬n Mode SMF (250C, dßng ®iÒu khiÓn 150 mA) - Thêi gian lªn/xuèng - §é réng phæ nöa c«ng suÊt (250) - HÖ sè nhiÖt ®é c«ng suÊt ®Çu ra - Sù thay ®æi b­íc sãng trung t©m theo t0 - §é gi·n phæ 2 ¸ 10 mW 3 ns max 80 ¸100 nm 1,2% / 0C 0,5 ¸ 0,8 nm/ 0C 0,4 nm/ 0C 2. §i«t Laser: cã nhiÒu d¹ng víi ®ñ mäi kÝch th­íc tõ nhá nh­ h¹t thãc ®Õn rÊt lín. Chóng cã ë d¹ng khÝ, láng, tinh thÓ hoÆc b¸n dÉn. §èi víi c¸c hÖ thèng th«ng tin quang chñ yÕu dïng Laser b¸n dÉn vµ th­êng lµ ®iot Laser (LD). VÒ c¬ b¶n nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸c lo¹i Laser lµ nh­ nhau th«ng qua ba qu¸ tr×nh mÊu chèt, ®ã lµ hÊp thô photon, ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. Víi n¨ng l­îng tr¹ng th¸i nÕu lµ E1 vµ E2 lµ n¨ng l­îng tr¹ng th¸i kÝch thÝch theo ®Þnh luËt Plank th× sù chuyÓn dÞch gi÷a hai tr¹ng th¸i nµy cã liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh hÊp thô hoÆc ph¸t x¹ cña c¸c photon cã n¨ng l­îng hv12 = E2 - E1. B×nh th­êng hÖ thèng ë tr¹ng nÒn ( ®Êt ). Khi mét photon cã n¨ng l­îng hv12 t¸c ®éng vµo hÖ thèng th× mét ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i E1 cã thÓ hÊp thô n¨ng l­îng photon vµ ®­îc kÝch thÝch lªn tr¹ng th¸i E2. V× ®©y lµ tr¹ng th¸i kh«ng bÒn v÷ng nªn ®iÖn tö sÏ nhanh chãng quay l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu, v× thÕ ph¸t ra mét photon cã n¨ng l­îng hv12. hv12 E2 E1 hv12 hv12 E2 E1 E2 E1 (Ph¸t x¹ kÝch thÝch) (Ph¸t x¹ tù ph¸t) (HÊp thô) H×nh4.4: Ba qu¸ tr×nh chuyÓn dÞch trong ho¹t ®éng cña Laser §iÒu nµy x¶y ra mµ kh«ng cã sù kÝch thÝch bªn ngoµi nµo vµ ®­îc gäi lµ ph¸t x¹ tù ph¸t. Ph¸t x¹ nµy ®¼ng h­íng, cã pha ngÉu nhiªn vµ xuÊt hiÖn nh­ mét ®Çu ra Gaussian b¨ng hÑp. §iÖn tö còng cã thÓ ®­îc sinh ra ®Ó t¹o ra mét h­íng chuyÓn dÞch ®i xuèng tõ møc kÝch thÝch tíi møc nÒn nhê cã sù kÝch thÝch bªn ngoµi. NÕu mét photon cã n¨ng l­îng hv12 t¸c ®éng vµo hÖ thèng trong khi ®iÖn tö vÉn cßn ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch cña nã, th× ®iÖn tö sÏ ®­îc kÝch thÝch ngay lËp tøc ®Ó r¬i xuèng tr¹ng th¸i nÒn vµ cho ra photon cã n¨ng l­îng hv12.Photon d­îc ph¸t ra nµy cã pha lµ pha cña photon tíi vµ sù bøc x¹ ë ®©y ®­îc gäi lµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng nhiÖt mËt, ®é c¸c ®iÖn tö ®­îc kÝch thÝch lµ rÊt nhá, cho nªn hÇu hÕt c¸c photon tíi trªn hÖ thèng ®Òu bÞ hÊp thô, vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch hÇu nh­ kh«ng cã. Ph¸t x¹ kÝch thÝch sÏ v­ît qua ®­îc sù hÊp thô chØ khi nµo tÝch luü ë trªn tr¹ng th¸i kÝch thÝch lín h¬n ë tr¹ng th¸i nÒn. §iÒu nµy ®­îc gäi lµ nghÞch ®¶o tÝch luü. V× ®©y kh«ng ph¶i lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng cho nªn nghÞch ®¶o tÝch luü ®­îc thùc hiÖn b»ng kü thuËt b¬m. Trong Laser b¸n dÉn, nghÞch ®¶o tÝch luü ®­îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch phun c¸c ®iÖn vµo trong vËt liÖu t¹i tiÕp ®iÓm thiÕt bÞ ®Ó lÊp c¸c tr¹ng th¸i n¨ng l­îng thÊp h¬n cña vïng dÉn. a. C¸c cÊu tróc cña diot Laser vµ c¸c mÉu bøc x¹: CÊu tróc diot Laser dïng cho th«ng tin quang sîi, tíi nay ®· cã rÊt nhiÒu c¸c ph­¬ng ph¸p thö nghiÖm ®Ó nh»m ®­a ra c¸c mÉu cÊu tróc cã hiÖu qu¶. Møc ®é thµnh c«ng cña c¸c ph­¬ng ph¸p cã kh¸c nhau nh­ng nh×n chung ®Òu cïng mét môc ®Ých ®ã lµ lµm h¹n chÕ c¸c mode bªn ®Ó cã ®­îc qu¸ tr×nh ph¸t Laser æn ®Þnh, ®¶m b¶o dßng ng­ìng t­¬ng ®èi nhá. - CÊu tróc thø nhÊt lµ cã mét d¶i ®iÖn cùc víi ®é réng nhá h¬n 8 mm ®­îc ®Æt däc theo chiÒu dµi cña ®i«t laser. Sù phun c¸c ®iÖn tö vµo lç trèng vµo thiÕt bÞ lµm thay ®æi trùc tiÕp chØ sè chiÕt suÊt cña líp tÝch cùc ë d­íi d¶i. Lo¹i nµy ®­îc gäi lµ Laser ®iÒu khiÓn khuÕch ®¹i (GGL). ¦u ®iÓm lµ cã thÓ ph¸t c«ng suÊt lín trªn 100 mW nh­ng l¹i rÊt kh«ng æn ®Þnh vµ cã tÝnh Astimatic cao. - C¸c cÊu tróc tiÕp theo cã tÝnh æn ®Þnh h¬n. C¸c lo¹i nµy cÊu t¹o theo h­íng bªn. Sù thay ®æi chØ sè chiÕt suÊt thùc cña vËt liÖu kh¸c nhau trong cÊu tróc nµy sÏ ®iÒu khiÓn c¸c Mode bªn trong Laser. Nªn c¸c thiÕt bÞ nµy gäi lµ c¸c Laser ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt (IGL). NÕu nh­ Laser ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt riªng chØ cho mode ngang c¬ b¶n hoÆc mode däc c¬ b¶n th× ®­îc gäi lµ laser ®¬n mode. Nh­ vËy thiÕt bÞ sÏ ph¸t chïm tia ®¬n hoµn toµn chuÈn trùc víi mét mÆt c¾t cã d¹ng ®­êng cong Gaussian h×nh chu«ng. - C¸c Lasez ®iÒu khiÓn chiÕt suÊt cã thÓ cã c¸c cÊu tróc h¹n chÕ sãng chiÕt suÊt d­¬ng hoÆc h¹n chÕ sãng chiÕt suÊt ©m. Trong cÊu tróc dÉn sãng chiÕt suÊt d­¬ng, vïng trung t©m cã chØ sè chiÕt suÊt cao h¬n vïng ngoµi. V× vËy toµn bé ¸nh s¸ng ®­îc ph¶n x¹ t¹i ranh giíi ®iÖn m«i, tùa nh­ tiÕp gi¸p vá-lâi trong sîi dÉn quang.B»ng c¸ch chän thÝch hîp chØ sè chiÕt suÊt vµ ®é réng cña vïng chiÕt suÊt cao h¬n th× cã thÓ t¹o ra ®­îc thiÕt bÞ chØ ho¹t ®éng cho mét mode bªn c¬ b¶n. Cßn ë cÊu tróc dÉn sãng chiÕt suÊt ©m, vïng t©m cña líp tÝch cùc cã chØ sè chiÕt suÊt thÊp h¬n vïng xung quanh. T¹i vïng bªn, mét phÇn ¸nh s¸ng ®­îc ph¶n x¹ vµ phÇn cßn l¹i ®­îc khóc x¹ vµo trong vËt liÖu ë xung quanh vµ sÏ bÞ tiªu hao ë ®©y. Suy hao bøc x¹ nµy xuÊt hiÖn trong mÉu bøc x¹ tr­êng gÇn c¸c bóp bªn hÑp.V× c¸c mode c¬ b¶n trong cÊu tróc nµy cã suy hao bøc x¹ nhá h¬n c¸c mode kh¸c, cho nªn nã ph¸t ®Çu tiªn. Trong hai cÊu nµy th× Laser chiÕt suÊt d­¬ng ®­îc sö dông th«ng dông h¬n. b.C¸c mode vµ ®iÒu kiÖn ng­ìng cña ®iot laser: Sù bøc x¹ quang trong hèc céng h­ëng cña ®iot laser ®· t¹o nªn mét mÉu v¹ch tr­êng ®iÖn vµ tõ ®­îc gäi lµ c¸c mode cña hèc céng h­ëng. C¸c mode nµy cã thÓ chia ra hai tËp hîp mode ®éc lËp lµ c¸c mode ®iÖn ngang (TE) vµ c¸c mode tr­êng ngang (TM).Tõng tËp hîp mode cã thÓ ®­îc m« t¶ d­íi d¹ng sù biÕn thiªn nöa h×nh sin däc, ngang vµ bªn cña c¸c tr­êng ®iÖn tõ däc theo c¸c trôc chÝnh cña hèc. C¸c mode däc cã liªn quan tíi ®é dµi L cña hèc vµ x¸c ®Þnh cÊu tróc c¬ b¶n cña phæ tÇn sè trong bøc x¹ quang ®­îc ph¸t ra.V× L lín h¬n nhiÒu so víi b­íc sãng ph¸t tia Laser cã ®é dµi kho¶ng 1mm, cho nªn nhiÒu mode däc cã thÓ tån t¹i. C¸c mode bªn n»m trong mÆt ph¼ng cña tiÕp gi¸p p-n. C¸c mode nµy phô thuéc vµo sù chÕ t¹o v¸ch bªn vµ ®é réng cña hèc, chóng x¸c ®Þnh h×nh d¹ng mÆt c¾t bªn cña chïm tia Laser. C¸c mode ngang cã liªn quan tíi tr­êng ®iÖn tõ vµ mÆt c¾t chïm tia n»m theo h­íng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng cña chuyÓn tiÕp p-n. C¸c mode nµy rÊt quan träng v× chóng x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh cña Laser còng nh­ mÉu bøc x¹ (sù ph©n bè gãc cña c«ng suÊt quang ®Çu ra) vµ mËt ®é dßng ng­ìng... - §Ó x¸c ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn ph¸t tia Laser vµ c¸c tÇn sè céng h­ëng, chóng ta diÔn d¶i sù lan truyÒn sãng ®iÖn tõ theo h­íng däc ( däc theo trôc vu«ng gãc víi c¸c g­¬ng) d­íi d¹ng pha tr­¬ng ®iÖn. E(z,t)=I(z)ej(vt-bz) ë ®©y I(z):lµ c­êng ®é tr­êng quang v:lµ tÇn sè bøc x¹ quang b:lµ h»ng sè lan truyÒn c. C¸c ®iot laser ®¬n mode: ®Ó x©y dùng hÖ thèng th«ng tin quang trong m¹ng viÔn th«ng cã tèc ®é cao vµ cù ly truyÒn xa, ta cÇn sö dông c¸c lo¹i ®iot laser cã ®é réng phæ hÑp, ®ã chÝnh lµ c¸c laser ®¬n mode. C¸c laser nµy chØ chøa mode däc vµ mode ngang ®¬n.§Ó t¹o ra Laser chØ cã mét mode däc th× ph¶i gi¶m ®é ®­îc ®é dµi L cña hèc ph¸t tia Laser tíi lóc khi mµ kho¶ng c¸ch tÇn sè Df cña c¸c mode bªn ®· cho lín h¬n ®é réng phæ Laser, ®iÒu nµy cã nghÜa lµ chØ cã mét mode däc ®¬n r¬i vµo b¨ng t¨ng Ých cña thiÕt bÞ. VÝ dô nh­ ®èi víi hèc Fabry-Perot toµn bé c¸c mode däc gÇn nh­ cã suy hao ngang b»ng vµ c¸ch nhau vµo kho¶ng 1nm, trong mét hèc dµi 250mm t¹i b­íc sãng 1300nm. B»ng c¸ch gi¶m L tõ 250 xuèng 25mm th× kho¶ng c¸ch mode sÏ t¨ng tõ 1nm ®Õn 10nm. Tuy nhiªn sÏ n¶y sinh vÊn ®Ò rÊt khã ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ cã ®é dµi nµy, mÆt kh¸c c«ng suÊt ph¸t cña nã còng l¹i gi¶m ®i chØ cßn vµi miliwatt. - Mét sè cÊu tróc kh¸c ®· ®­îc triÓn khai trong ®ã ph¶i kÓ ®Õn Laser ph¸t mÆt vµ c¸c cÊu tróc cã hèc céng h­ëng lùa chän tÇn sè.ë cÊu tróc Laser ph¸t mÆt ®é dµy vïng tÝch cùc nhá h¬n 10mm vµ nh­ vËy nã gièng nh­ mét th¼ng ®øng ng¾n. CÊu h×nh nh­ vËy sÏ gièng nh­ Laser ph¸t c¹nh nh­ng sù bøc x¹ quang ®­îc h­íng vÒ phÝa mÆt nhê c¸c g­¬ng 45° hoÆc c¸c bé ph¶n x¹ Bragg ph©n bè cÊp hai. d. §iÒu biÕn tÇn sè cao: - cã hai ph­¬ng ph¸p nh»m thay ®æi c«ng suÊt quang ®Çu ra lµ ®iÒu biÕn xung dïng cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang truyÒn dÉn sè vµ ®iÒu biÕn biªn ®é dïng cho c¸c hÖ thèng th«ng tin truyÒn dÉn tÝn hiÖu analog. Mét trong nh÷ng ­u ®iÓm cã ý nghÜa nhÊt cña laser b¸n dÉn lµ nã cã thÓ ®iÒu biÕn trùc tiÕp nhê thay ®æi dßng cÊp cho laser. §i«t laser cã thêi gian ®¸p øng nhanh cho nªn cho phÐp thùc hiÖn ®iÒu biÕn ë tÇn sè rÊt cao. TÇn sè ®iÒu biªn bÞ giíi h¹n bëi hai c¬ chÕ. Tr­íc hÕt ®ã lµ giíi h¹n ®iÖn tö do c¸c phÇn tö t¹p ký sinh. Nã ®­îc nãi tíi cho nh÷ng ®iÖn tö nèi tiÕp vµ ®iÖn dung song song cã trong d©y dÉn kim lo¹i. C¬ chÕ thø hai c¬ b¶n h¬n cã liªn quan ®Õn ®Æc tÝnh ®éng cña laser lµm n¶y sinh tÇn sè céng h­ëng trong d¶i GHZ. TÇn sè nµy tû lÖ víi c¨n bËc hai c«ng suÊt ®Çu ra. H»ng sè tû lÖ phô thuéc vµo sè c¸c tham sè trong néi t¹i Laser vµ cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn trong thiÕt kÕ laser. Khi sö dông diot laser cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn tèc ®é cao, tÇn sè ®iÒu biÕn cã thÓ kh«ng lín h¬n tÇn sè dao ®éng tÝch th¸ot cña cña tr­êng laser. Giao ®éng tÝch tho¸t phô thuéc vµo c¶ thêi gian sèng tù ph¸t tsp vµ thêi gian sèng photon tsp, ®©y lµ c¸c tham sè lµm giíi h¹n tèc ®é ®iÒu biÕn cña laser. VÒ lý thuyÕt, dao ®éng tÝch tho¸t x¶y ra xÊp xØ t¹i: f = víi tsp vµo kho¶ng 1ns vµ tsp kho¶ng 2ns ®èi víi laser dµi 300mm, th× lóc mµ dßng phun lín gÊp hai dßng ng­ìng Ith, tÇn sè ®iÒu biÕn lín nhÊt kho¶ng vµi GHz. D¶i ®éng laser còng cã thÓ chÞu ¶nh h­ëng tõ c¸c hiÖu øng quang phi tuyÕn , ®iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng khi diot laser ph¸t c«ng suÊt cao. Qu¸ tr×nh nµy ®· ®­îc x¸c minh rÊt râ rµng trong c¸c thùc nghiÖm ®· ®­îc tiÕn hµnh, nh­ng møc ®é ¶nh h­ëng vµ tÝnh chÝnh x¸c ë ®©y ch­a ®­îc hoµn toµn kh¼ng ®Þnh. e. C¸c ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é: chñ yÕu lµ sù phô thuéc vµo nhiÖt cña dßng ng­ìng Ith (T). Dßng ng­ìng nµy sÏ t¨ng theo nhiÖt ®é trong tÊt c¶ c¸c lo¹i laser b¸n dÉn do nhiÒu c¸c yÕu tè phô thuéc nhiÖt ®é r¾c rèi g©y ra.TÝnh phøc t¹p cña nhiÒu c¸c yÕu tè nµy t¹o ra mét sù khã kh¨n trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh mét ph­¬ng tr×nh minh b¹ch râ rµng. Tuy vËy sù thay ®æi cña Ith theo nhiÖt ®é còng cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng ph­¬ng tr×nh rót ra tõ kinh nghiÖm: Ith(T)=IzeT/To víi To: lµ gi¸ trÞ ®o cña ®é nh¹y nhiÖt ®é t­¬ng ®èi Iz: lµ mét h»ng sè II. PhÇn biÕn ®æi quang ®iÖn 1.Nguyªn lý c¬ b¶n cña c¸c bé t¸ch sãng quang Bé t¸ch sãng quang trong bé thu quang thùc hiÖn chøc n¨ng c¬ b¶n lµ biÕn dæi tÝn hiÖu quang tíi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. Chøc n¨ng kh¸c cña bé thu quang lµ khuÕch ®¹i vµ khi thùc hiÖn truyÒn dÉn sè th× cã thÓ võa t¸i t¹o tÝn hiÖu võa ®iÒu khiÓn tÇng sau cña bé thu quang. Trong th«ng tin quang, c¸c bé t¸ch sãng quang ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu vÒ tèc ®é nhanh, ®é nh¹y thu cao , t¹p ©m thÊp vµ b­íc sãng ho¹t ®éng phï hîp. Cã mét sè lo¹i bé t¸ch sãng quang hiÖn nay ®ang ®­îc sö dông v× cã kÝch th­íc nhá, vËt liÖu phï hîp, ®é nh¹y cao vµ thêi gian ®¸p øng nhanh.Cã hai lo¹i photodiode ®­îc dïng lµ lo¹i photodiode PIN vµ photodiode th¸c (APD). 2. Bé t¸ch sãngPhotodi«t PIN: - cÊu tróc c¬ b¶n gåm c¸c vïng P vµ n c¸ch nhau b»ng mét líp tù dÉn i rÊt máng. §Ó thiÕt bÞ ho¹t ®éng, th× cÇn ph¶i cÊp mét thiªn ¸p ng­îc ®Ó vïng bªn trong rót hÕt c¸c h¹t mang. Khi ®ã sù tËp trung h¹t mang n vµ P lµ nhá kh«ng ®¸ng kÓ so víi sù tËp trung t¹p chÊt trong vïng nµy. Khi cã ¸nh s¸ng ®i vµo photodi«t qu¸ tr×nh x¶y ra lµ nÕu mét photon trong chïm ¸nh s¸ng tíi mang mét n¨ng l­îng hv lín h¬n hoÆc ngang b»ng víi n¨ng l­îng d¶i cÊm cña vËt liÖu b¸n dÉn trong poto®iot, th× photon cã thÓ kÝch thÝch ®iÖn tö tõ vïng hãa trÞ sang vïng dÉn. Qu¸ tr×nh nµy sÏ lµm ph¸t ra c¸c cÆp ®iÖn tö lç trèng mµ ®«i khi ®­îc gäi lµ h¹t mang quang. Th«ng th­êng, bé t¸ch sãng quang ®­îc thiÕt kÕ sao cho c¸c h¹t mang nµy chñ yÕu ph¸t ra t¹i vïng tr«i, n¬i mµ hÇu hÕt ¸nh s¸ng ®Õn bÞ hÊp thô sù cã mÆt tr­êng ®iÖn cao trong vïng tr«i lµm cho c¸c h¹t mang t¸ch nhau ra vµ ®­îc chu nhËn qua tiÕp gi¸p cã thiªn ¸p ng­îc. §iÒu nµy lµm t¨ng luång dßng ë m¹ch ngoµi, víi mét luång dßng ®iÖn sÏ øng víi nhiÒu cÆp h¹t mang ®­îc ph¸t ra. Luång dßng nµy ®­îc gäi lµ dßng photo. T¸ch nãng Thiªn ¸p vïng cÊm P Vïng dÉn Vïng hãa trÞ TÝn hiÖu ra §iÖn trë t¶i hv photon §iÖn tö hv ³ EF Lç trèng Vïng nghÌo n n R1 IP i i H×nh 4-5: Vïng n¨ng l­îng cña photo®iot PIN V× c¸c h¹t mang tÝch ®iÖn ch¸y qua vËt liÖu, cho nªn mét sè c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng sÏ t¶i kÕt hîp vµ råi biÕn mÊt. B×nh th­êng, c¸c h¹t mang tÝch ®iÖn di chuyÓn víi cù ly Ln ®èi víi ®iÖn tö lµ Lp ®èi víi lç trèng. Cù ly nµy ®­îc gäi "§é dµi khuÕch t¸n". Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó cho mét ®iÖn tö hoÆc lç trèng t¸i hîp ®­îc gäi lµ "tuæi thä h¹t mang" vµ ®­îc m« t¶ b»ng c¸c ®¹i l­îng tn vµ tp t­¬ng øng. Quan hÖ gi÷a tuæi thä vµ ®é dµi khuÕch t¸n nh­ sau: Ln = (Dn tn) 1/2 vµ Lp = (Dp tp)1/2 Víi Dn lµ hÖ sè khuÕch t¸n ®iÖn tö Dp lµ hÖ sè khuÕch t¸n lç trèng. ®­îc ®o b»ng centimet vu«ng trªn gi©y. Bøc x¹ quang bÞ hÊp thô trong vËt liÖu b¸n dÉn tu©n theo hµm mò sau. P(x) = P0(1 - e -as (lm); ë ®©y as (l) lµ hÖ sè hÊp thô t¹i b­íc sãng l,P0 lµ møc c«ng suÊt quang tíi, vµ P(x) lµ c«ng suÊt quang ®­îc hÊp thô ë cù ly x. 104 103 102 105 HÖ sè hÊp thô ¸nh s¸ng (Cm) 10 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,4 B­íc sãng (mm) Ge GaAs Ci H×nh 4-6: HÖ sè hÊp thô quang thay ®æi theo b­íc sãng HÖ sè hÊp thô quang thay ®æi theo b­íc sãng. Sù phô thuéc cña hÖ sè hÊp thô quang vµo b­íc sãng ®èi víi mét sè vËt liÖu cã thÓ cho ta thÊy as phô thuéc rÊt nhiÒu vµo b­íc sãng. Nh­ vËy vËt liÖu b¸n dÉn chØ cã thÓ ®­îc sö dông trªn mét ph¹m vi b­íc sãng giíi h¹n mµ th«i. §Æc tÝnh cña photo®i«t th­êng ®­îc ®Æc tr­ng bëi ®¸p øng (hÖ sè chuyÓn ®æi) R. Nã liªn quan ®Õn hÖ suÊt l­îng tö. §¸p øng A (W) InGaAs Si Ge Si 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 B­íc sãng (mm) IP hq R = = P0 hv H×nh 4-7:So s¸nh ®¸p øng vµ hiÖu suÊt l­îng tö ®èi víi photodiot PIN Tham sè nµy rÊt hay sö dông v× nã ®Æc tr­ng cho dßng photon ph¸t ra trªn mét ®¬n vÞ c«ng suÊt quang. §¸p øng photo®i«t PIN th­êng lµ hµm sè cña b­íc sãng nh­ h×nh trªn. C¸c gi¸ trÞ ®ã lµ 0,6 mA/mW ®èi víi Si t¹i b­íc sãng 900 nm; 0,45 mA/mW ®èi víi Ge t¹i b­íc sãng 1,3 mm. Trong hÇu hÕt c¸c photo®iot, hiÖu suÊt l­îng tö kh«ng phô thuéc vµo møc c«ng suÊt ®æ vµo bé t¸ch sãng t¹i n¨ng l­îng photon ®· cho. Nh­ vËy ®¸p øng lµ hµm tuyÕn tÝnh cña c«ng suÊt quang. Cã nghÜa lµ, dßng photon Ip tû lÖ trùc tiÕp víi c«ng suÊt quang P0 tíi bé t¸ch sãng, vµ nh­ vËy ®¸p øng R lµ h»ng sè t¹i b­íc sãng ®· cho (gi¸ trÞ hv). Tuy vËy, hiÖu suÊt l­îng tö kh«ng lµ h»ng sè ë tÊt c¶ c¸c b­íc sãng v× nã thay ®æi theo n¨ng l­îng photon. VËy ®¸p øng lµ mét hµm c¸c b­íc sãng vµ cña vËt liÖu lµm photodiot (vËt liÖu kh¸c nhau cã n¨ng l­îng gi¶i cÊm kh¸c nhau). §èi víi vËt liÖu ®· cho, b­íc sãng cña photon tíi cµng dµi th× n¨ng l­îng photon cµng nhá ®Ó kÝch thÝch ®iÖn tö tõ vïng hãa trÞ tíi vïng dÉn, lóc nµy ®¸p øng dãc nhanh h¬n. 3. Photo®iot th¸c: - B¶n chÊt l­îng tö cña ¸nh s¸ng ®· ®Þnh ra giíi h¹n c¬ b¶n ®èi víi chÊt l­îng, tøc lµ tØ lÖ tÝn hiÖu trªn t¹p ©m, vµ ®iÒu nµy ®­îc thÓ hiÖn ë c¸c bé thu quang. Tuy nhiªn, ë c¸c bé c¸ch sãng trùc tiÕp t¹p ©m cã thÓ lín lªn do cã sù ph©n bè t¶i vµ bé tiÒn khuyÕch ®¹i. Cho nªn khi sö dông c¸c bé t¸ch sãng PIN th× chØ cã c¸ch lµm gi¶m sù phô thuéc c¸c ph©n bè nµy theo sù c¶i thiÖn c¸c ®Æc tÝnh bé tiÒn khuyÕch ®¹i. §èi víi c¸c tÝn hiÖu nhá, photo®iot th¸c cã ®Æc tÝnh tèt h¬n, sau khi biÕn ®æi c¸c photon thµnh c¸c ®iÖn tö, nã khuÕch ®¹i ngay dßng photo ngay trªn trong nã tr­íc khi dßng nµy ®i vµo m¹ch khuÕch ®¹i tiÕp theo vµ ®iÒu nµy lµm t¨ng møc tÝnh hiÖu dÉn ®Õn ®é nh¹y thu t¨ng lªn ®¸ng kÓ. §Ó thu ®­îc tÝn hiÖu øng nh©n bªn trong, c¸c h¹t mang quang sÏ ®­îc t¨ng dÇn n¨ng l­îng tíi møc ®ñ lín ®Ó ion ho¸ c¸c ®iÖn tö xung quanh do va ch¹m víi chóng. C¸c ®iÖn tö xung quanh ®­îc ®Èy tõ vïng ho¸ trÞ tíi vïng dÉn, råi t¹o ra c¸c cÆp ®iÖn tö- lç trèng míi s½n sµng dÉn ®iÖn. C¸c h¹t mang míi ®­îc t¹o ra nµy sÏ tiÕp tôc ®­îc gia tèc nhê ®iÖn tr­êng cao vµ l¹i cã thÓ ph¸t ra c¸c cÆp ®iÖn tö- lç trèng míi kh¸c. HiÖn t­îng nµy gäi lµ hiÖu øng th¸c. Qu¸ tr×nh th¸c dÉn tíi lµm t¨ng dßng. §èi víi photo®iot SI, ng­ìng tr­êng ®iÖn cÇn thiÕt ®Ó thu ®­îc sù nh©n lµ ë møc 105 V/cm. - VÒ nguyªn lý, c¶ hai qu¸ tr×nh hÊp thô vµ khuÕch ®¹i ®Òu x¶y ra ë trong cïng mét vïng tr«i, ë c¸c cÊu tróc Pn hoÆc PIN ®¬n gi¶n. CÊu tróc th«ng dông cña photo®iot. n+ n+ n+ n+ P P+ + - Vïng nghÌo Tr­êng ®iÖn Vïng th¸c Tr­êng tèi thiÓu cÇn thiÕt ®Ó t¸c ®éng ion hãa H×nh 4-8: CÊu tróc photodiot th¸c vµ tr­êng ®iÖn tõ gåm cã vËt liÖu P ®iÖn trë suÊt cao ®Æt lµm líp epitaxi nÒn P+. Sau ®ã khuÕch t¸n hoÆc cÊy líp n+ (lo¹i n pha t¹p nÆng). Hai vïng c¸ch nhau bëi mét vïng tr­êng ®iÖn thÊp lµ n¬i c¸c photon ®­îc hÊp thô vµ c¸c h¹t mang quang tr«i theo chiÒu ph©n cùc, vµ mét vïng tr­êng ®iÖn cao lµ n¬i c¸c h¹t mang ®­îc gia tèc vµ chÞu qu¸ tr×nh nh©n. §èi víi Si, chÊt kÝch t¹p ë vïng nµy th­êng t­¬ng øng lµ B0 hoÆc photpho. CÊu tróc nh­ vËy th­êng ®­îc gäi lµ cÊu tróc cËn xuyªn p+ipn+ - . Líp i (hay II) c¬ b¶n lµ líp vËt liÖu tù dÉn cã pha t¹p mét chót p. Khi cã mét thiªn ¸p ng­îc nhá, hÇu hÕt ®iÖn thÕ r¬i vµo tiÕp gi¸p pn+, vïng tr«i sÏ më réng ra cïng víi sù t¨ng cña thiªn ¸p cho ®Õn khi ®¹t ®­îc ®Õn mét gi¸ trÞ ®iÖn ¸p mµ t¹i ®ã tr­êng ®iÖn tiÕp gi¸p pn+ vµo kho¶ng 5 ¸ 10% phÇn phÝa d­íi, ®©y lµ gi¸ trÞ ®ñ ®Ò g©y ra th¸c ®æ. Lóc nµy vïng tr«i chØ "cÇn xuyªn" vïng tù dÉn. - Photo®iot th¸c cËn xuyªn (RAPD) ho¹t ®éng theo kiÓu hoµn toµn tr«i. ¸nh s¸ng ®i vµo thiÕt bÞ xuyªn qua vïng p+ vµ ®­îc hÊp thô trong vËt liÖu i, ®ãng vai trß nh­ mét vïng nhËn c¸c h¹t mang quang ®­îc ph¸t ra. Khi ®ang ®­îc hÊp thô, photon sÏ ph¸t ra n¨ng l­îng cña nã v× thÕ t¹o rak c¸c cÆp ®iÖn tö lç trèng, vµ chóng bÞ t¸ch ra do t¸c ®éng cña tr­êng ®iÖn trong vïng i. C¸c ®iÖn tö ®­îc ph¸t ra tr«i qua vïng i tíi tiÕp gi¸p pn+, n¬i tån t¹i tr­êng ®iÖn cao vµ t¹i ®©y sÏ x¶y ra sù nh©n h¹t mang quang. - Sè cÆp ®iÖn tö- lç trèng trung b×nh ®­îc h¹t mang t¹o ra trong mét ®¬n vÞ ®é dµi di chuyÓn ®­îc gäi lµ tèc ®é ion ho¸. HÇu hÕt c¸c vËt liÖu cã tèc ®é ion ho¸ ®iÖn tö a kh¸c nhau vµ tèc ®é ion ho¸ lç trèng b kh¸c nhau. KÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ®­îc c¸c gi¸ trÞ a vµ b víi n¨m lo¹i vËt liÖu b¸n dÉn kh¸c nhau. Tû sè k= cña hai gi¸ trÞ ion ho¸ sÏ x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña bé t¸ch sãng quang. 4. M¹ch ®iÖn s¬ l­îc cña bé thu quang ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb C©n b»ng Photodiot (PIN hoÆc APD) Bé khuÕch ®¹i vµ c¸c tham sè ®Çu vµo cña nã Photodiode vµ ®iÖn trë ®Þnh thiªn H×nh 4-9: S¬ l­îc m¹ch ®iÖn cña bé thu quang Trong s¬ ®å trªn, photodiode cã thÓ lµ APD cã hÖ sè khuÕch ®¹i trung b×nh lµ M hoÆc photodiode PIN víi M = 1. HiÖu suÊt l­îng tö cña photodiode lµ h vµ ®iÖn dung cña nã lµ Cd. §iÖn trë thiªn ¸p cña bé t¸ch sãng cã gi¸ trÞ Rb ph¸t ra dßng t¹p ©m nhiÖt lµ ib (+). §iÖn trë Ra m¾c song song víi ®iÖn dung Ca t¹o nªn trë kh¸ng ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i. Khi cã ®iÖn ¸p cÊp qua m¹ch trë kh¸ng nµy sÏ t¹o ra dßng ®iÖn ch¶y qua bé khuÕch ®¹i. Nguån dßng cã ®iÒu khiÓn t¹o ra sù khuÕch ®¹i ë ®©y ®­îc t¸c ®éng bëi ®é hç dÉn gm (®o b»ng ampe/v«n hoÆc simen). Cã hai nguån t¹p ©m khuÕch ®¹i. Nguån dßng t¹p ©m ®Çu vµo ia(+) xuÊt hiÖn do t¹p ©m nhiÖt cña ®iÖn trë ®Çu vµo ®¹i Ra' ng­îc l¹i nguån ¸p t¹p ©m Ca (+) biÓu hiÖn t¹p ©m nhiÖt cña kªnh khuÕch ®¹i. C¸c nguån t¹p ©m nµy ®­îc gi¶ thiÕt cã d¹ng thèng kª Gaussian,phæ ph¼ng.Bé hiÖu chØnh tÝn hiÖu n»m ë sau bé khuÕch vµ th­êng lµ bé läc tÇn sè tuyÕn tÝnh ,nã ®­îc sö dông ®Ó gi¶m c¸c ¶nh h­ëng cña trÔ tÝn hiÖu vµ nhiÔu b¶n th©n. Mét c¸ch lý t­ëng th× nã chÊp nhËn ®¸p øng tÇn sè kÕt hîp cña bé ph¸t, m«i tr­êng truyÒn dÉn,vµ bé thu, råi chuyÓn nã thµnh d¹ng ®¸p øng tÝn hiÖu phï hîp víi m¹ch sö lý tÝn hiÖu ë sau. Trong vµi tr­êng hîp, bé hiÖu chØnh cã thÓ chØ ®­îc dïng ®Ó hiÖu chØnh ®¸p øng tÇn sè cña photodiode vµ bé khuÕch ®¹i. 5. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trong bé thu quang: C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i (Preamplifier) th­êng ®­îc thiÕt kÕ víi môc tiªu sao cho cã tû lÖ tÝn hiªô trªn t¹p ©m lín nhÊt víi møc nhiÔu b¶n th©n lµ nhá nhÊt.C¸c ®Æc tÝnh chÝnh khi nhËn d¹ng m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i lµ: + T¹p ©m do b¶n th©n m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i ph¸t ra ph¶i ®­îc gi÷ ë møc cµng thÊp cµng tèt. T¹p ©m tiÒn khuÕch ®¹i th­êng ¸m chØ tíi t¹p ©m nhiÖt. + CÊu tróc cña m¹ch. + Lo¹i thiÕt bÞ linh kiÖn tÝch cùc ®­îc sö dông trong m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i ch¼ng h¹n nh­ c¸c transistor l­ìng cùc,JFET,MOSFET vµ MESFET. + B¨ng tÇn vµ hÖ sè khuÕch ®¹i. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i cã trong c¸c bé thu th«ng tin quang sîi cã thÓ ®­îc ph©n cÊp thµnh 3 lo¹i. §ã lµ lo¹i trë kh¸ng thÊp, lo¹i trë kh¸ng cao vµ hç dÉn ng­îc. M¹ch tiÒn khuÕch ®¹i cã trë kh¸ng thÊp lµ lo¹i cÊu tróc Ýt phøc t¹p nhÊt, nh­ng kh«ng thÓ thiÕt kÕ ®­îc bé tiÒn khuÕch ®¹i tèi ­u ®­îc. ë ®©y photodiode ho¹t ®éng víi mét bé khuÕch ®¹i cã trë kh¸ng thÊp (cã thÓ ë 50 «m).ë ®©y cã thiªn ¸p hoÆc ®iÖn trë t¶i Rb ®­îc dïng ®Ó phèi hîp víi trë kh¸ng bé khuÕch ®¹i. MÆc dï c¸c bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng thÊp cã thÓ ho¹t ®éng ë b¨ng tÇn lín, nh­ng nã kh«ng cho ra ®­îc mét bé thu quang cã ®é nh¹y thu cao, bëi v× chØ cã mét ®iÖn ¸p tÝn hiÖu nhá cã thÓ ®i qua ®­îc trë kh¸ng ®Çu vµo bé khuÕch ®¹i vµ ®iÖn trë Rb. §iÒu nµy ®· h¹n chÕ cù ly truyÒn dÉn. C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao ®· cho phÐp gi¶m ®­îc nguån t¹p ©m tíi møc rÊt nhá. §Ó ®¹t ®­îc ®iÒu nµy,ng­êi ta lµm gi¶m ®iÖn dung ®Çu vµo th«ng qua viÖc lùa chän c¸c thiÕt bÞ cã ®iÖn dung thÊp, tÇn sè cao b»ng c¸ch lùa chän bé t¸ch sãng víi c¸c dßng tèi ­u nhá vµ nhê viÖc lµm gi¶m t¹p ©m nhiÖt do c¸c ®iÖn trë thiªn ¸p g©y ra. T¹p ©m nhiÖt cã thÓ ®­îc gi¶m khi sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao (nh­ transistor l­ìng cùc hoÆc FET) kÕt hîp víi ®iÖn trë thiªn ¸p bé t¸ch sãng lín Rb.V× trë kh¸ng cao sinh ra h»ng sè thêi gian RC ®Çu vµo lín cho nªn d¶i tÇn tõ ®Çu ®Õn cuèi nhá h¬n b¨ng tÇn tÝn hiÖu.Nh­ vËy tÝn hiÖu ®Çu vµo ®­îc tæ hîp vµ cÇn ph¶i thùc hiÖn c¸c kü thuËt hiÖu chØnh ®Ó bï cho nã. ~ A Rb Ra Ca (t) ia (t) ib (t) Cb C©n b»ng Photodiot PIN hoÆc APD) Bé khuÕch ®¹i vµ c¸c tham sè ®Çu vµo cña nã Photodiode vµ ®iÖn trë ®Þnh thiªn Rf H×nh 4-10:M¹ch t­¬ng ®­¬ng cña thiÕt kÕ bé thu hç dÉn ng­îc M¹ch tiÒn khuÕch ®¹i hç dÉn ng­îc ®­îc thiÕt kÕ chñ yÕu ®Ó kh¾c phôc nh÷ng h¹n chÕ cña m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao. CÊu tróc cña m¹ch nµy sö dông bé khuÕch ®¹i trë kh¸ng cao, t¹p ©m nhá, cã ®iÖn trë hèi tiÕp ©m Rf víi dßng t¹p ©m nhiÖt t­¬ng ®­¬ng if (t) m¾c ph©n dßng ®Çu vµo nh­ ë h×nh trªn. M¹ch khuÕch ®¹i cã ®Çu vµo m¾c nèi tiÕp víi nguån t¹p ©m ®iÖn ¸p ea (t), m¾c ph©n dßng víi t¹p ©m dßng ia(t) vµ trë kh¸ng ®Çu vµo ®­îc cho bëi tæ hîp m¾c song song Ra vµ Ca. Môc lôc Trang lêi nãi ®Çu .............................................................................. 1 Ch­¬ngI: Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang .......... 2 I. Giíi thiÖu vÒ th«ng tin quang ................................ 2 1.Kh¸i qu¸t chung ..................................................... 2 2. CÊu tróc vµ c¸c thµnh phÇn chÝnh trong HTTTQ . 4 II. S¬ ®å tæng qu¸t cña HTTTQ ..................................... 6 1. C¸c chøc n¨ng cña hÖ thèng th«ng tin quang ...... 6 2. ¦u nh­¬c ®iÓm cña hÖ thèng th«ng tin quang ...... 8 Ch­¬ng II: Sîi quang vµ sù truyÒn ¸nh s¸ng trong s¬i quang 1.B¶n chÊt cña ¸nh s¸ng ......................................... 10 2.Nguyªn lý truyÒn dÉn ¸nh sang .............................. 10 3.C¸c d¹ng ph©n bè chiÕt suÊt trong sîi quang ........ 11 a.KhÈu ®é sè NA ....................................................... 11 b.Sîi quang cã chiÕt suÊt nh¶y bËc (SI) ...................... 12 c.Sîi quang cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn (GI) ..................... 13 d.Sîi ®a mode ............................................................ 14 e.Sîi ®¬n mode .......................................................... 15 4. CÊu tróc c¸c lo¹i sîi dÉn quang ............................ 15 5.Suy gi¶m tÝn hiÖu trªn sîi dÉn quang ..................... 17 a. Suy hao do hÊp thô ................................................ 20 b. Suy hao do t¸n x¹ .................................................. 21 c. Suy hao do sîi bÞ uèn cong .................................... 23 Ch­¬ng III: C¸p quang ................................................................... 24 1. Kh¸i qu¸t chung ............................................ 24 2. C¸c phÇn tö cña c¸p ....................................... 24 a. Lâi c¸p ........................................................... 25 b. Thµnh phÇn gia c­êng .................................... 25 c. Vá c¸p ............................................................. 26 3. C¸c lo¹i c¸p vµ øng dông ................................. 27 a. C¸p treo ........................................................... 27 b. C¸p treo trong cèng ......................................... 28 c. C¸p tr«n trùc tiÕp ............................................... 28 d. C¸p ®Æt trong nhµ vµ c¸p nh¶y ......................... 28 e. C¸p ngËp n­íc vµ th¶ biÓn ................................. 28 Ch­¬ng IV: PhÇn tö chuyÓn ®æi ®iÖn quang- quang ®iÖn . I. PhÇn biÕn ®æi ®iÖn quang .................................... 29 C¸c chøc n¨ng chung .......................................... 29 §i«t ph¸t quang LED ........................................... 35 §i«t Laser ............................................................. 37 II. PhÇn biÕn ®æi quang ®iÖn ................................... 40 Nguyªn lý c¬ b¶n cña c¸c bé t¸ch sãng quang .... 40 Bé t¸ch sãng photodiot PIN ................................. 41 Photodiot th¸c ...................................................... 44 CÊu h×nh bé thu quang ........................................ 46 5. C¸c m¹ch khuyÕch ®¹i cu¶ bé thu quang ................. 47

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docTTQuang50.DOC
Tài liệu liên quan