Thông qua cuốn sách bạn có thể nắm bắt được cấu tạo 1 sợi quang và các ảnh hưởng bên trong tới sợi quang...
H K THUT THÔNG TIN QUANG 1 đ L H K THUT THÔNG TIN QUANG 1 1 T K thut thông tin quang ngày càng s dng rng rãi trong vin thông, truyn s liu, truyn hình cáp, … Trong chng này chúng ta s tìm hiu s ra đi và phát trin ca thông tin quang, cu trúc tng quát ca h thng thông tin quang, các u đim và nhc đim ca cáp si quang, và các lnh vc ng dng công ngh thông tin si quang. Vic thông tin liên lc bng ánh sáng đã sm xut hin trong s phát trin loài ngi khi con ngi trc đó đã liên lc vi nhau bng cách ra du (Hand signal). Liên lc bng cách ra du cng là mt dng ca thông tin quang: bi vì không th ra du trong bóng ti. Ban ngày, mt tri là ngun ánh sáng cho h thng này (h thng “Hand signal”). Thông tin đc mang t ngi gi đn ngi nhn da vào s bc x mt tr i. Mt là thit b thu thông đip này, và b não x lý thông đip này. Thông tin truyn theo kiu này rt chm, khong cách lan truyn có gii hn, và li rt ln. Mt h thng quang sau đó, có th có đng truyn dài hn, là tín hiu khói (Smoke signal). Thông đip đc gi đi bng cách thay đi dng khói phát ra t la. Mu khói này mt ln na đc mang đn phía thu bng ánh sáng mt tr i. H thng này đòi hi mt phng pháp mã hóa phi đc đt ra, mà ngi gi và ngi thu thông đip phi đc hc nó. iu này có th có th so sánh vi h thng mã xung (pulse codes) s dng trong h thng s (digital system) hin đi. Tri qua mt thi gian dài t khi con ngi s dng ánh sáng mt tri và la đ làm thông tin liên lc đn nay lch s ca thông tin quang đã qua nh ng bc phát trin và hoàn thin có th tóm tt bng nhng mc chính sau đây: − Nm 1775: Paul Revere đã s dng ánh sáng đ báo hiu quân đi Anh t Boston sp kéo ti. − Nm 1790: Claude Chappe, k s ngi Pháp, đã xây dng mt h thng đin báo quang (optical telegraph). H thng này gm mt chui các tháp vi các đèn báo hiu trên đó. Thi đó tin tc đc truyn vi tín hi u này vt chng đng 200 Km trong vòng 15 phút. − Nm 1854: John Tyndall, nhà vt lý t nhiên ngi Anh, đã thc hin thành công mt thí nghim đáng chú ý nht là ánh sáng có th truyn qua mt môi trng đin môi trong sut. − Nm 1870: cng John Tyndall đã chng minh đc rng ánh sáng có th dn đc theo mt vòi nc un cong da vào nguyên lý phn x toàn phn. − Nm 1880: Alexander Graham Bell, ngi M, đã phát minh ra mt h thng thông tin ánh sáng, đó là h thng photophone. Ông ta đã s dng ánh sáng mt tri t mt gng phng mng đã điu ch ting nói đ mang ting nói đi. máy thu, ánh sáng mt tri đã đc điu ch đp vào t bào quang dn, selen, nó s bin đi thông đip thành dòng đin. B thu máy đin thoi hoàn tt h thng này. H thng photophone cha bao gi đt đc thành công trên 2 thng mi, mc dù nó đã làm vic tt hn, do ngun nhiu quá ln làm gim cht lng đng truyn. − Nm 1934: Norman R.French, k s ngi M, nhn đc bng sáng ch v h thng thông tin quang. Phng tin truyn dn ca ông là thanh thy tinh. − Vào nhng nm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát trin si quang có hai lp, bao gm lp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan truyn trong lp này) và lp bc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài l p lõi, nhm nht ánh sáng lõi. Si này sau đó đc các nhà khoa hc trên phát trin thành Fibrescope un cong (mt loi kính soi bng si quang), mt thit b có kh nng truyn mt hình nh t đu si đn cui si. Tính un cong ca fiberscope cho phép ta quan sát mt vùng mà ta không th xem mt cách bình thng đc. n nay, h thng fiberscope vn còn đc s dng rng ri, đc bit trong ngành y dùng đ soi bên trong c th con ng i. − Vào nm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tng cng và tp trung ngun sáng đ ghép vào si. − Nm 1960: Theodor H.Maiman đa laser vào hot đng thành công, làm tng dung lng h thng thông tin quang rt cao. − Nm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuc phòng thí nghim Standard Telecommunication ca Anh thc hin nhiu thí nghim đ chng minh rng nu thy tinh đc ch to trong sut hn bng cách gim tp cht trong thy tinh thì s suy hao ánh sáng s đ gi m ti thiu. Và h cho rng nu si quang đc ch to đ tinh khit thì ánh sáng có th truyn đi xa nhiu Km. − Nm 1967: suy hao si quang đc báo cáo là α ≈ 1000 dB/Km. − Nm 1970: hãng Corning Glass Works đã ch to thành công si SI có suy hao α < 20 dB/Km bc sóng λ = 633 nm. − Nm 1972: loi si GI đc ch to vi suy hao α ≈ 4 dB/Km. − Nm 1983: si SM (Single Mode) đc sn xut M. − Nm 1988: Công ty NEC thit lp mt mng đng dài mi có tc đ 10 Gbit/s trên chiu dài 80,1 Km dùng si dch tán sc và Laser hi tp phân b. − Hin nay, si quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km bc sóng 1550 nm, và có nhng loi si đc bit có suy hao thp hn giá tr này rt nhiu. I S 3 E/O E/OO/E O/E in thoi Fax Tivi S liu in thoi Fax Tivi S liu Cu hình ca mt h thng thông tin quang. Hình 1.1 biu th cu hình c bn ca mt h thng thông tin quang. Nói chung, tín hiu đin t máy đin thoi, t các thit b đu cui, s liu hoc Fax đc đa đn b đ chuyn thành tín hiu quang, sau đó gi vào . Khi truyn qua si quang, công sut tín hiu (ánh sáng) b suy yu d n và dng sóng b rng ra. Khi truyn ti đu bên kia si quang, tín hiu này đc đa vào b đ to li tín hiu đin, khôi phc li nguyên dng nh ban đu mà máy đin thoi, s liu và Fax đã gi đi. Nh vy, cu trúc c bn ca mt h thng thông tin quang có th đc mô t đn gin nh hình 1.2, gm: ̶ B phát quang. ̶ B thu quang. ̶ Môi trng truyn dn là cáp si quang. O/EE/O Tín hiu quang Cáp si quangB phát quang Tín hiu đin ngõ vào Tín hiu đin ngõ ra B thu quang Cu trúc c bn ca mt h thng thông tin quang. Trên hình 1.2 ch mi minh ha tuyn truyn dn quang liên lc theo mt hng. Hình 1.3 minh ha tuyn truyn dn quang lin lc theo hai hng. Minh ha tuyn truyn dn quang theo hai hng. 4 Nh vy, đ thc hin truyn dn gia hai đim cn có hai si quang. Nu c ly thông tin quá dài thì trên tuyn có th có mt hoc nhiu trm lp (Repeater). Cu trúc đn gin ca mt trm lp (cho mt hng truyn dn) đc minh ha hình 1.4. Cu trúc đn gin ca mt trm lp quang. − : b phát quang có nhim v nhn tín hiu đin đa đn, bin tín hiu đin đó thành tín hiu quang, và đa tín hiu quang này lên đng truyn (si quang). ó là chc nng chính ca khi E/O b phát quang. Thng ngi ta gi khi E/O là ngun quang. Hin nay linh kin đc s dng làm ngu n quang là và . − : khi tín hiu quang truyn đn đu thu, tín hiu quang này s đc thu nhn và bin tr li thành tín hiu đin nh đu phát. ó là chc nng ca khi O/E b thu quang. Các linh kin hin nay đc s dng đ làm chc nng này là và , và chúng thng đc gi là linh kin tách sóng quang (photo-detector). − p: khi truyn trên si quang, công sut tín hiu quang b suy yu dn (do si quang có đ suy hao). Nu c ly thông tin quá dài thì tín hiu quang này có th không đn đc đu thu hoc đn đu thu vi công sut còn rt thp đu thu không nhn bit đc, lúc này ta phi s dng trm lp (hay còn gi là trm tip vn). Chc nng chính ca trm lp là thu nhn tín hiu quang đã suy yu, tái to chúng tr li thành tín hiu đi n. Sau đó sa dng tín hiu đin này, khuch đi tín hiu đã sa dng, chuyn đi tín hiu đã khuch đi thành tín hiu quang. Và cui cùng đa tín hiu quang này lên đng truyn đ truyn tip đn đu thu. Nh vy, tín hiu ngõ vào và ngõ ra ca trm lp đu dng quang, và trong trm lp có c khi O/E và E/O. đi đi − Suy hao thp cho phép khong cách lan truyn dài hn. Nu so sánh vi cáp đng trong mt mng, khong cách ln nht đi vi cáp đng đc khuyn cáo là 100 m, thì đi vi cáp quang khong cách đó là 2000 m. Mt nhc đim c bn ca cáp đng là suy hao tng theo tn s ca tín hiu. iu này có ngha là tc đ d liu cao dn đn tng suy hao công sut và gim kho ng cách lan truyn thc t. i vi cáp quang thì suy hao không thay đi theo tn s ca tín hu. − D Si quang có bng thông rng cho phép thit lp h thng truyn dn s tc đ cao. Hin nay, bng tn ca si quang có th lên đn hàng THz. − . Trng lng ca cáp quang nh hn so vi cáp đng. Mt cáp quang có 2 si quang nh h n 20% đn 50% cáp Category 5 có 4 đôi. Cáp quang có trng lng nh hn nên cho phép lp đt d dàng hn − Cápsi quang có kích thc nh s d dàng cho vic thit k mng cht hp v không gian lp đt cáp. − đi đi 5 − Vì si quang là mt cht đin môi nên nó không dn đin. B So sánh gia cáp quang và cáp đng. − Si quang rt khó trích tín hiu. Vì nó không bc x nng lng đin t nên không th b trích đ ly trm thông tin bng các phng tin đin thông thng nh s dn đin b mt hay cm ng đin t, và rt khó trích ly thông tin dng tín hiu quang. − Các h thng thông tin quang đu kh dng cho hu ht các dng thông tin s liu, thoi và video. đi − V i . Trc khi đa mt tín hiu thông tin đin vào si quang, tín hiu đin đó phi đc bin đi thành sóng ánh sáng. − Si quang s dng trong vin thông đc ch to t thy tinh nên dòn và d gy. Hn na kích thc si nh nên vic hàn ni gp nhiu khó khn. Mun hàn n i cn có thit b chuyên dng. − V Các quy trình sa cha đòi hi phi có mt nhóm k thut viên có k nng tt cùng các thit b thích hp. − V Khi hàn ni si quang cn đ các mnh ct vào l kín đ tránh đâm vào tay, vì không có phng tin nào có th phát hin mnh thy tinh trong c th. Ngoài ra, không đc nhìn tr c din đu si quang hay các khp ni đ h phòng nga có ánh sáng truyn trong si chiu trc tip vào mt. Ánh sáng s dng trong h thng thông tin quang là ánh sáng hng ngoi, mt ngi không cm nhn đc nên không th điu tit khi có ngun nng lng này, và s gây nguy hi cho mt. N − Mng đng trc quc gia. − ng trung k. − ng cáp th bin liên quc gia. − Truyn s liu. đ Di thông 100 MHz 1 GHz > 100 GHz C ly truyn dn 100 m 2000 m 40.000 m Xuyên kênh Có Không Trng lng Nng hn Nh hn Kích thc Ln hn Nh hn 6 − Truyn hình cáp. Di đây minh ha mt vài ng dng s dng cáp si quang. Cáp si quang hin nay đc s dng cho rt nhiu ng dng khác nhau. Chng hn, nhiu công ty đin thoi đang s dng các tuyn cáp quang đ truyn thông gia các tng đài, qua các thành ph, qua các nc khác nhau và qua nhng tuyn dài trên bin (xem hình 1.5). Hin nay mt s nc đã có k ho ch m rng cáp quang đn các h gia đình đ cung cp các dch v videophone cht lng cao. Kt ni các tng đài bng cáp si quang. Các công ty truyn hình cáp đang trin khai các đng cáp quang đ truyn ti nhng tín hiu cht lng cao t trung tâm đn các v trí trung chuyn phân b xung quanh các thành ph (hình 1.6). Si quang nâng cao đc cht lng ca các tín hiu truyn hình và làm tng s kênh kh dng. Trong tng lai cáp quang có th ni trc tip đn các h gia đình cung cp nhiu dch v mi cho ngi s dng. Nhng dch v d a trên cáp quang nh truyn hình tng tác, giao dch ngân hàng ti gia, hay làm vic t mt h thng vn phòng ti gia đã đc đa vào k hoch s dng trong tng lai. 7 Trung tâm truyn hình Trung tâm phân phi Trung tâm phân phi Trung tâm phân phi Cáp quang Cáp đng trc (hin ti), tng lai có th là cáp quang Mng truyn hình cáp quang. Si quang là phng tin lý tng cho truyn s liu tc đ cao. Tín hiu không b méo bi nhiu t môi trng xung quanh. Tính cách đin ca si quang to ra mt giao tip an toàn gia các máy tính, các thit b đu cui, và các trm làm vic. Rt nhiu trung tâm máy tính đang s dng cáp si quang đ cung cp các đng truyn s liu tc đ cao các m ng LAN. Vi đc tính suy hao thp, bng thông rng, kích thc nh, nh, không b cang nhiu sóng đin t và đin công nghip làm cho si quang đc s dng trong nhiu lnh vc nh lnh vc vin thông: vin thông đng dài, vin thông quc t s dng cáp quang vt đi dng, mng trung k, mng ni ht thuê bao; lnh vc công nghip: đng truyn tín hiu đ iu khin t đng trong h thng t đng, công nghip dt; lnh vc y hc; lnh vc quân s. Si quang ch có th truyn tín hiu di dng ánh sáng nên các ngun tín hiu đin đc chuyn thành ánh sáng bng cách s dng LED hoc LASER. Quá trình này đc x lý và din ra đu phát, và đc gi là b phát quang. Tín hiu quang này đc ghép vào si và truyn đn b thu quang. Sau khi đn đ u thu, các tín hiu này đc chuyn tr li thành tín hiu đin thông qua linh kin PIN hoc APD. Mc dù si quang có suy hao thp nhng tín hiu vn b suy yu, do đó đôi lúc trên h thng cng cn b lp quang, còn gi trm tip vn. Vi tim nng v bng thông nên h thng truyn dn si quang đã và đang phát trin trong h thng truyn dn s đng dài, tc đ cao t hàng trm Mega bit/s đn hàng Tera bit/s nh s dng công ngh ghép kênh theo bc sóng quang WDM. 8 1.1. Trình bày cu trúc tng quát ca mt h thng thôngtin quang. 1.2. Mô t chc nng các thành phn trên h thng thông tin quang. 1.3. Nêu các u đim ca si quang. 1.4. Nêu các nhc đim ca si quang. 1.5. Trình bày các ng dng ca thông tin bng si quang. 1.6. Cu trúc c bn ca mt h thng thông tin quang bao gm: a. Máy phát, máy thu và môi trng truyn dn. b. Máy phát quang, máy thu quang và cáp đng trc. c. Máy phát quang, máy thu quang và cáp si quang. d. C a, b, c đu đúng 1.7. Tín hiu truyn trên si quang là: a. Dòng đin b. .in áp. c. Ánh sáng d. .C a, b, c đu đúng. 1.8. Linh kin tách sóng quang có nhim v: a. Khuch đi ánh sáng. b. Bin đi tín hiu quang thành tín hiu đin. c. Bin đi tín hiu đin thành tín hiu quang. d. Sa dng tín hiu quang 1.9. Ngun quang có nhim v: a. Bin đi tín hiu đin sang tín hiu quang. b. Bin đi tín hiu quang sang tín hiu đin. c. Khuch đi ánh sáng. d. Sa dng tín hiu quang 1.10. Mt tuyn truyn dn quang cn s dng ít nht my si quang? a. 1 si quang b. 4 si quang c. 2 si quang d. 8 si quang 1.11. Si quang có u đim gì ? a. D gy b. Suy hao thp c. Bng thông hp d. D b nhiu 1.12. B E/O có chc nng gì? a. Chuyn đi tín hiu đin thành ánh sáng b. Chuyn đi ánh sáng thành tín hiu đin c. Khuch đi ánh sáng [...]... y ra trong lõi s i quang ch i v i nh ng tia sáng có góc t i c nh ngh a: u s i quang nh h n max Kh u s c a s i quang NA = sin Ð i v i s i SI ta tính (2.7) max c: NA sin max n12 2 n2 (2.8) n1 2 V i: n1: chi t su t lõi s i quang; n2: chi t su t l p b c s i quang; n12 2 n2 2n12 Có th tính : chênh l ch chi t su t t n gi n h n nh sau [3]: = (n1-n2)/n v i n= (n1+n2)/2 16 ng i Ch M t s i quang SI có: n1 =... Suy ra : 2 n1 Ta tính c 2 n 2 = 0,144 n1 = 0,1455 17 Ch h Kh u s cho ta bi t i u ki n a ánh sáng vào s i quang Ðây là thơng s c b n nh ng n hi u su t ghép ánh sáng t ngu n quang vào s i quang 2.2.3 S Chi t su t c a l p b c khơng i và b ng n2 Chi t su t c a lõi nói chung thay i theo bán kính c a s i quang (tâm n m trên tr c c a lõi) S bi n thiên chi t su t theo bán kính c vi t d i d ng t ng qt sau [1]:... i v i s i quang này Mode b c 0 c g i là mode c b n S Ð c i m c a s i a mode là truy n ng th i nhi u mode sóng 19 Ch S mode sóng truy n c trong m t s i quang ph thu c vào các thơng s c a s i, trong ó có t n s c chu n hóa V (Normalized Frequency) T n s c chu n hóa V c xác nh nh sau [1]: 2 V= a.NA = k.a.NA (2.12) V i: a: bán kính lõi s iquang :b c sóng làm vi c 2 k NA: kh u (2.13) s c a s i quang M t... (n1+n2)/2 16 ng i Ch M t s i quang SI có: n1 = 1,50 n2 = 1,485 Tính kh u ng 2: S s c a s i quang này Áp d ng cơng th c (2.8), ta có NA = sin Suy ra T max = 2 n1 1,50 2 2 n2 1,485 2 0,21 12 max ây suy ra góc ti p nh n ánh sáng 2 max = 2 12 = 24 M t s i quang SI có:NA = 0,12 n2 = 1,450 Tính chi t su t l p b c c a s i quang này Áp d ng cơng th c (2.8), ta có NA = sin max = 2 n1 2 n 2 = 0,12 Suy ra : 2 n1... t s l ng l n b c sóng, kho ng cách và t c bit cao h n, các hi u ng phi tuy n trong s i quang b t u x y ra Nh chúng ta s th y, có s t ng tác ph c t p c a các hi u ng phi tuy n v i tán s c màu Chúng ta b t u ch ng này b ng cách th o lu n các ngun lý c b n c a s lan truy n ánh sáng trong s i quang, b t u t mơ hình quang hình h c n gi n t i mơ hình lý thuy t sóng chung d a vào ph ng trình Maxwell Sau ó... n1: chi t su t l n nh t lõi, t c t i r = 0 Hay n(0) = n1 n2: chi t su t l p b c r: kho ng cách tính t tr c s i n i m tính chi t su t a: bán kính lõi s i quang b: bán kính l p b c s i quang g: h s m Giá tr c a g quy t nh d ng phân b chi t su t c a s i quang, g 1 g = 1: d ng tam giác g = 2: d ng parabol g = : d ng b c thang S S i SI là s i n gi n nh t Có d ng phân b chi t su t nh sau: n1 r a n2 a r n... n nh c a ánh sáng trong s i quang Khi truy n trong s i quang, ánh sáng i theo nhi u ng, tr ng thái truy n n nh c a các ng này c g i là các mode sóng Có th hình dung g n úng m t mode ng v i m t tia sáng Chúng ta dùng t b c (order) ch các mode Quy t c nh sau: góc lan truy n c a mode càng nh thì b c c a mode càng th p Rõ ràng mode lan truy n d c theo tr c trung tâm c a s i quang là mode b c 0 và mode... Optical Communications, 2001 [5] [6] V H th ng Thơng Tin Quang, t p 1 Nhà xu t b n B u i n, 7-2003 Digital Communications Third edition, McGrawHill, 1995 [7] [8] Schilling Principles of Communications Systems McGraw-Hill, 1986 9 Ch S i quang là m t mơi tr ng thơng tin c bi t có th so sánh v i các mơi tr ng khác nh cáp ng ho c khơng gian t do M t s i quang cung c p m t mơi tr ng truy n d n suy hao th p... Ánh sáng dùng trong thơng tin quang: 800 nm ( 1600 nm (nh v y n m trong vùng h ng ngo i g n và m t ph n vùng h ng ngo i gi a) - Ba b c sóng ánh sáng thơng d ng dùng trong các h th ng thơng tin quang g i là 3 c a s quang: ̇ C a s 1: 1 = 850 nm ̇ C a s 2: 2 = 1300 nm ̇ C a s 3: 3 = 1550 nm ̇ C a s 4: 4 = 1625 nm c Ánh sáng có th xem nh là m t chùm tia sáng Các tia sáng lan truy n trong các mơi tr ng khác... n, s i quang L p trong cùng có d ng hình tr tròn, có c g i là lõi (core) s i chi t su t n1, c ch t o c b n g m có hai l p: ng kính d = 2a, làm b ng th y tinh có 15 Ch L p th hai c ng có d ng hình tr bao quanh lõi nên c g i là l p b c (cladding), có ng kính D = 2b, làm b ng th y tinh ho c plastic, có chi t su t n2 < n1 C u trúc t ng qt này c minh h a hình 2.7 Ánh sáng truy n t u này n u kia s i quang . quang 1.10. Mt tuyn truyn dn quang cn s dng ít nht my si quang? a. 1 si quang b. 4 si quang c. 2 si quang d. 8 si quang 1.11. Si quang. O/EE/O Tín hiu quang Cáp si quangB phát quang Tín hiu đin ngõ vào Tín hiu đin ngõ ra B thu quang Cu trúc c bn ca mt h thng thông tin quang.