GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG
Sự phát triển của thông tin quang
Khởi đầu của thông tin quang bắt nguồn từ khả năng nhận biết chuyển động, hình dáng và màu sắc qua đôi mắt con người Sau đó, hệ thống thông tin đơn giản được hình thành với sự xuất hiện của đèn hải đăng và đèn tín hiệu Tiếp theo, máy điện báo quang ra đời, sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn, nhưng lại bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết Để khắc phục vấn đề này, máy điện báo vô tuyến đã được phát minh, cho phép liên lạc giữa hai người ở khoảng cách xa.
Vào năm 1960, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo laze, và đến năm 1966, họ đã phát triển sợi quang với độ tổn thất thấp chỉ 1000dB/Km Chỉ bốn năm sau, Karpon đã sản xuất cáp sợi quang trong suốt với độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km Thành công này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới tiến hành nghiên cứu và phát triển, dẫn đến sự ra đời của công nghệ mới nhằm giảm suy hao truyền dẫn và tăng dải thông cho các laze bán dẫn vào những năm sau đó.
70 Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm
Công nghệ sợi quang kết hợp với laze bán dẫn hiện nay cho phép truyền tải một lượng lớn tín hiệu âm thanh và dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm km chỉ qua một sợi quang mỏng như sợi tóc, mà không cần sử dụng bộ tái tạo.
Sự phát triển của hệ thống thông tin hiện đại, đặc biệt là các hệ thống thông tin quang, đã được thúc đẩy mạnh mẽ nhờ vào sự ra đời của laser và sợi quang.
Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ bản sau (như hình 1.1)
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
Bộ biến đổi điện – quang (E/O) có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, cho phép truyền tải thông tin qua cáp quang bằng cách biến đổi xung điện thành xung quang.
Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo qui luật của tín hiệu điện)
Cáp quang là phương tiện truyền dẫn tín hiệu dưới dạng ánh sáng, được sản xuất từ các chất điện môi như sợi thạch anh, sợi thủy tinh và sợi nhựa, có khả năng truyền ánh sáng hiệu quả.
Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu)
Bộ biến đổi quang - điện (O/E) có chức năng thu nhận các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trong quá trình truyền tải do tán xạ, tán sắc và suy hao theo cự ly Thiết bị này sẽ chuyển đổi những tín hiệu quang này thành tín hiệu điện, tạo thành nguồn tin ban đầu cho các ứng dụng tiếp theo.
Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ năng lượng điện ít
Trạm lặp được sử dụng để tăng cường tín hiệu trong các khoảng cách truyền dẫn lớn Chúng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để khuyếch đại, sau đó tín hiệu đã được khuyếch đại lại được chuyển đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên cáp sợi quang.
1.1.1 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang:
Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng:
Thiết bị phát tín hiệu
Thiết bị thu tín hiệu
Sợi quang không bị ảnh hưởng bởi các tia điện từ và cũng không phát ra tia điện từ, giúp bảo vệ tín hiệu truyền qua khỏi việc bị nghe lén Điều này đảm bảo rằng thông tin được truyền tải qua sợi quang luôn được giữ bí mật và an toàn.
Hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại có giá thành cao hơn so với cáp sợi quang, nhưng lại đảm bảo độ cách điện lên đến hàng nghìn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu Bên cạnh đó, các bộ phận trong kênh thông tin có trọng lượng và kích thước nhỏ gọn, mang lại hiệu quả cao trong việc lắp đặt và sử dụng.
Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện,
IC lozic TTC và CMOS
Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không gặp hiện tượng trễ thời gian như trong truyền thông vệ tinh Băng thông có thể đạt tới 3000GHz, trong khi các phương pháp truyền tin AM hay Time-Multiplex hiện tại chỉ đạt băng thông khoảng 10GHz.
Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại
Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi quang
Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao
Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp
Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog Không thể truyền mã lưỡng cực
Sợi quang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng lưới điện thoại, truyền dữ liệu, máy tính và dịch vụ phát thanh, truyền hình băng rộng Nó cũng sẽ được sử dụng trong ISDN, kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Ngoài ra, sợi quang còn có ứng dụng trong lĩnh vực điện lực, y tế, quân sự và các thiết bị đo.
Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang.
Sợi quang
Sợi quang là thành phần thiết yếu trong hệ thống thông tin quang, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn ánh sáng từ thiết bị phát đến thiết bị thu Đường kính của sợi quang thường dao động từ 5 đến 20 µm, và sự lựa chọn bán kính này phụ thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể của hệ thống.
1.2.1 Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Sợi quang được thiết kế để ánh sáng chỉ truyền dẫn trong lõi sợi thông qua hiện tượng phản xạ toàn phần Ánh sáng từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ, và chỉ những ánh sáng có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể được đưa vào lõi sợi quang.
Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1 2)
Hình 1.2 Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang
Tại điểm A, ánh sáng đi vào sợi quang và được phân chia thành ba môi trường liên tiếp với các chỉ số khúc xạ khác nhau, bao gồm môi trường không khí, môi trường lõi và vỏ sợi quang.
max là góc nhận lớn nhất và có góc là góc tới hạn
7 Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình:
Từ (1.1) và (1.2) tính được góc mở lớn nhất là:
Khẩu độ số (NA) là độ lệch chiết suất tương đối, cho biết khả năng đưa ánh sáng vào sợi quang Tuy nhiên, loại sợi này không thích hợp cho hệ thống thông tin quang do hiện tượng tán sắc nhiều tia và tán sắc giữa các mode.
Tán sắc nhiều tia xảy ra khi các tia sáng truyền qua sợi quang với quãng đường khác nhau, dẫn đến việc các tia không ló ra đồng thời ở đầu cuối của sợi, mặc dù tốc độ truyền là như nhau Sự mở rộng xung được gây ra bởi các tia truyền với quãng đường khác nhau, và có thể đánh giá đơn giản bằng cách xác định chiều dài ngắn nhất và dài nhất Chiều dài ngắn nhất tương ứng với góc tới bằng L, trong khi chiều dài lớn nhất tương ứng với góc tới bằng L/ Thời gian trễ có thể được tính toán dựa trên điều kiện này để đánh giá tốc độ truyền thông tin.
B Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết suất biến đổi đều (graded-index fiber)
Các thông số cơ bản để xác định cấu trúc của sợi quang bao gồm đường kính lõi, đường kính vỏ và khẩu độ số (NA) Những thông số này, được gọi là thông số cấu trúc, ảnh hưởng đến nhiều đặc tính khác nhau của sợi quang, chẳng hạn như độ suy hao quang và độ rộng băng truyền.
Sợi quang đa mode được xác định bởi bốn thông số quan trọng: đương kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số (NA) và dạng phân bố chiết suất khúc xạ Những thông số này đóng vai trò quyết định trong việc xác định cấu trúc và hiệu suất của các loại sợi quang.
Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau:
Với 0
