Hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang

Hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang

Lời nói đầu: ====***==== Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đa vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi ngời đều thừa nhận rằng phơng thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những u điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đờng trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tơng lai. Trong vòng mời năm qua, cùng với sự vợt bậc của công nghệ điện tử , viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vợt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã đợc khai thác phổ biến trên mạng lới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó. nh ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trớc với một tiền đồ rộng lớn, nội dung cuốn sách Đồ án tốt nghiệp. Này chỉ nói đợc một phần trong sợi quang nên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong các thầy cô giúp đỡ nhiều. Em xin chân thành cảm ơn.Trang 1 CHƯƠNG I : Tổng quan về thông tin quang. 1.1 tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang. Từ xa xa loài ngời đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ ra gơng ý tởng truyền ánh sáng trong sợi thuỷ tinh có thể coi bắt nguồn từ thí nghiệm về suối ánh sáng của john Tydll ở anh vào thế kỷ thứ 19( năm1870).Ngời ta quan sát ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể truyền qua một dòng nớc hẹp do hiện tợng phản xạ toàn phần . Các thí nghiệm đầu tiên về truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tin đợc thực hiện ở đức vào năm 1930. Do các sợi thuỷ tin lúc bây giờ chỉ có một lớp chiết xuất nên dễ gãy và suy hao rất lớn . Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đã cho phép phát triển những ứng dụng mới trên sợi quang.Sau khi laser ra đời, ngời ta đã thực hiện những hệ thống thông tin quang thử nghiệm ,lấy không khí làm môi trờng truyền dẫn nh thông tin bằng sóng vô tuyến. Nhng việc truyền ánh sáng trong không khi thờng bị hạn chế bởi điều kiện hạn chế do tính truyền thẳng của tia cũng nh các điều kiện thời tiết nh ma bão, sơng mù,nhiệt độ thay đổi ., làm cho thông tin mất ổn định hơn sóng vô tuyến .Ngời ta dự tính có thể truyền qua những khoảng cách xa nhờ sợi quang, nhng suy hao của sợi quang ở thời điểm này là rất lớn ( 1000dB/km vào năm 1967 ). Do vậy ,việc sử dụng sợi quang chỉ là hạn chế ở những khoảng cách ngắn và trong phòng thí ngiệm . Vào năm 1970 ngời ta chế tạo thành công sợi quang bằng Silic có suy hao 20 dB/km. Năm 1976 ,hệ thống thông tin bằng sợi quang dài 10km lần đầu tiên đợc lắp đặt tại Atlanta (Mỹ) với tốc độ 45Mbit/s . Với những tiến bộ đạt đợc trong việc chế tạo các linh kiện vi điện tử , điện quang và những công nghệ mới nh khuếch đại quang, ghép kênh theo bớc sóng, Trang 2 đã giúp chúng ta thực hiện các hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến 40 G bit/ s với cự li đến hàng nghìn Km (tuyến SEA - ME - WE 3) Các hệ thống truyền dẫn quang không những đợc sử dụng ngày càng nhiều trong mạng viễn thông mà còn thêm nhiều ứng dụng trong hệ thống công nghiệp và dân dụng .1.2.Các u điểm và nh ợc của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang a).hệ thống truyền dẫn quang có những u điểm sau: Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 THz ở nm) và suy hao thấp (0,2 0,25 dB / KM ở bớc sóng 1550nm). độ rộng băng tần lớn và suy hao thấp điều này cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li rất xa. Sợi quang không bị ảnh hởng của nhiễm điện từ . Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị rò sóng điện từ nh cáp kim loại. Sợi quang có kích thớc nhỏ, không bị ăn mòn bởi a xit, kiềm, nớc có độ bền cao. Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao hơn bằng cách thay đổi bớc sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh. b).Nhợc điểm của hệ thống truyền dẫn quang: - Không truyền dẫn đợc nguồn năng lợng có công suất lớn , chỉ hạn chế ở mức công suất cở vài miliwat. - Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li hệ thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại . - Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo các linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối là trong việc hàn nối là phức tạp. - Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian là khó vì không lợi dụngluôn đợc đờng truyền nh ở trong các hệ thống thông tin điện . 1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn thông. Trang 3 1.3.1.Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cờng độ tách sóng trực tiếp. Trong hệ thống điều chế cờng độ thu trực tiếp , ngời ta dùng tín hiệu điện để điều chế cờng độ bức xạ của nguồn quang. ở đầu thu và tín hiệu đợc tách ra trực tiếp trên diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận đợc . Các hệ thống truyền dẫn hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên.hệ thống điều chế cờng độ thu trực tiếp có u điểm là đơn giản, dễ thực hiện do các phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang đều không đòi hỏi cao về các thông số, chế độ hoạt động : bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực nhng khi truyền dẫn ở tốc độ cao từ 2,5 Gbit/s trở lên thì độ nhạy thu bị giảm mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng đợc băng tần rất rộng của sợi quang ( hàng chục nghìn GHz). Các hệ thống thông tin quang hiện nay truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn phân cấp đồng bộ (SDH): 155 Mbit/s 622M bit/s 2500M bit/s và 10Gbit/s. Nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang, cự li các tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5 Gbit/s trên đất liền đạt khoảng 150 Km . với hệ thống cáp quang thả biển, ngời ta đã thực hiện tuyến 2,5 Gbit/s có chiều dài 10.073Km trên tuyến sử dụng 199 bộ khuếch đại quang EDFA.(Erbium Doped Fiber Amplifier ) Bộ biến đổi E/0 Bộ biến đổi O/E Cáp Cáp Quang Quang Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quangHệ thông tin quang gồm các thành phần chính : Trang 4Khối ghép kênh Bộ điềukhiểnNguồn quangTrạm Lặp Khuếch đạiKhôiphục tín hiệuKhốiTáchKênhCác luồng tín hiệu điệnCác luồng tín hiệu điện Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 34Mbit/s, 140M bit/s,158Mbit/s )thành luồng tín hiệu có tốc độ bit cao hơn và ngợc lại . Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu thành các tín hiệu quang để truyền vào sợi quang .Các hệ thống thông tin quang coherent trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý điều pha hoặc điều tần tín hiệu quang. Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. Trạm lặp : Hoặc là bộ khuếch đại quang đối với tuyến có tín hiệu dài . Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín hiệu điện , khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu .Các hệ thống thông tin quang đã phát triển qua 4 thế hệ: Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( Step Index SI ) và chiết suất biến đổi ( Graded Index GI ), hoạt động ở bớc sóng 850nm. Linh kiện thu, phát thờng đợc sử dụng là LED và diode PIN. Thế hệ 2:Sử dụng sợi quang đa mode, GI, hoạt động ở bớc sóng 850n mvà 1300nm. Nhờ sử dụng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 2 có thể truyền hàng chục Mbit/s qua cự ly vài chục km (B.L 1000MHz. Km). Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bớc sóng 1300nm. Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao hơn nhiều sợi quang đa mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 3 có thể truyền tốc độ hàng trăm Mbit/s qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km. Thế hệ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bớc sóng 1550nm. ở hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 4, ngời ta bắt đầu sử dụng các diode laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố DFB-Ditributed Feedback ), cho phép truyền tốc độ 2.5Gbit/s qua cự ly 150 200km không cần trạm lặp.Trong thời gian tới, phơng hớng phát triển chính của công nghệ thông tin cáp sợi quang tiếp tục phát triển hệ Trong thống IMDD song song với Trang 5 công nghệ ghép kênh theo bớc sóng, thời kỹ thuật khuếch đại quang sợi ( EDFA ) và kỹ thuật bù tán sắc. Mục đích là tăng tốc độ truyền dẫn lên hàng chục Gbit/s và cự ly trạm lặp lên hàng trăm km. Sợi hồng quang- Hệ thống quang coherent Ghép WDM 1000 Hớng trong tơng lai DFBLD-( hồi tiếp phân bố) 1500nm 100 1300nm 10 850nm sợi đa mode sợi đơn mode 1 0.01 0.1 1 10 100 tốc độ bit (G bit/sd ) Hình 1.2. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang.1.3.2. Hệ thống thông tin quang Coherent: Độ nhạy thu( dBm ) thu trực tiếp Trang 6 -40 thu Coherent -60 -80 102 103 104 Tốc độ đờng truyền ( Mbit/s ) Hình 1.3. Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ đờng truyền . Từ nhiều năm nay, ngời ta đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm vể hệ thống thông tin quang coherent. các u điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang coherent so với. Hệ thống điều chế trực tiếp cờng độ ánh sáng là : Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15-20dB. Điều này cho phép tăng cự litruyền dẫn không cần trạm lặp từ 75-100km. Nâng cao năng lực truyền dẫn nhờ khả năng sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số (FDM). với kỹ thuật FDM, chúng ta có thể sử dụng một băng thông rộng khoảng 20.000Ghz (ở bớc sóng 1500mm-1600mm). Tơng đơng với khả năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại trên một đôi quang.Sơ đồ một hệ thống coherent có thể biểu diễn nh hình Vẽ: Tín hiệu vàoTrang 7 Diode Điều Bộ khuếch đại Laser chế ngoài Cáp sợi quang quang Điều Khối thu Mạch Khuếch Tín hiệu ra khiển quang trung tần đại và giải phân cực điều chế Bộ dao động nội Hình 1.4 Sơ đồ một hệ thống thông tin quang coherent ở đầu phát : tín hiệu quang đợc điều chế trên nguyên lý dịch pha PSK PSK: hoặc khoá dịch tần FSK kỹ thuật FSK cho PHép giảm độ thu xuốnh 2-3dB, nhng yêu cầu bề rộng phổ của nguồn phát rất hẹp (tỷ số bề rộng phổ/tốc độ truyền 10-4) trong khi kỹ thuật FSK yêu cầu tỷ số bề rộng phổ/ tốc độ truyền 10-1). Sợi quang: Sợi quang dùng trong hệ thống coherent có thể là loại sợi quang đơn mode thông thờng hoặc sợi đơn bảo toàn phân cực . Nếu sử dụng sợi đơn mode thờng, trớc bộ thu ta cần sử dụng bộ điều chỉnh phân cực . Khối thu: Trong hệ thống coherent , khối thu đợc chia thành hai loạiTrang 8 heterodyne và homodyne. ở đầu thu, tín hiệu thu đợc trộn với tín hiệu dao động nội. trong bộ thu heterodyne, tần số bộ dao động nội khác tần số của tín hiệu tới. đối với bộ thu homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số tín hiệu Kỹ thuật thu hemodyne nhạy hơn thu hemodyne khoảng 3 dB nhng rất khó thực hiện bởi tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu đợc. Hệ thống thông tin quang kết hợp sẽ đợc phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng chục Gbit/s trở lên qua những khoảng cách rất xa nhng cha đợc sử dụng trong thực tế do những khó khăn về công nghệ chế tạo và giá thành .1.4. XU H ớng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang: Các nghiên cứu về truyền dãn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và cự li tăng giữa các khoảng lặp . Các hớng phát triển của kỷ thuật thông tin cáp sợi quang hiện nay là:1.4.1.Sự dụng kỹ thuật phân kênh theo bớc sóng ( WDM ): Trong hệ thống ghép kênh theo bớc sóng, ngời ta sử dụng nhiều nguồn quang (thờng là laer hồi tiếp phân bố DFB có bề rộng phổ rất hẹp ), hoạt động ở các bớc sóng khác nhau. khoãng cách giữa các kênh đợc chọn phụ thuộc vào sự ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của bộghép kênh /tách kênh, chẳng hạn là nm. Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bớc sóng đợc mô tả (hình vẽ 1.5 ). Trong khoảng từ bớc sóng 1545.6nm 1570.6nm , ngời ta có thể ghép đ-ợc 18 kênh, nếu mỗi kênh truyền 2.5 Gbit/s, tơng đơng 30 240 kênh thoại hệ thống sẽ có khả năng truyền 500 000 kênh thoại trên một đôi quang Hiện nay ngời ta đã thực hiện đợc hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc độ 40 Gbit/s bằng cách ghép kênh theo bớc sóng 16 luồng tốc độ 2.5 Gbit/s DBF1 1Trang 9To OpDBF18 MUX DEMMUX1 DBF2 2 18 18 Single- Mode Fiber -10 1 = 1,527nm 18 = 1,561nm-20 2nm-30-40-50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 181,544.5 1,510.5 1,540.5 Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bớc sóng 1.4.2.Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ( FDM Frequency Division Multiplex). Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn còn lớn hơn rất hiều so với kỹ thuật. Ghép kênh theo bớc sóng. khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 5GHz( tơng đơng 0.04nm ở bớc sóng 1550nm), trong khi giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng khoảng 250 GHz tức 2nm.Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2.5 Gbit/s, ta có thể truyền một dung lợng tơng đơng30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh thoại trên một đôi sợi quang.Trang 102 [...]... 2.3 Sự phản xạ toàn phần 2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang : a Nguyên lý truyền dẫn chung T n2 n(r) Lớp vỏ n1 Trang 15 Lớp lỏi no Lớp vỏ Hình 2.4 Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sơi quang đợc chế tạo thành một lỏi ( core) bằng thuỷ tinh có chiết xuất n1 và một lớp vỏ phản xạ ( hình2.4) ánh sáng truyền trong lỏi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần(... của sợi quang đễ xác định biểu thức sóng truyền trong nó Dựa trên biểu thức đã xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn sóng trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bớc giải phơng trình mà chỉ nêu các thông số rút ra từ kết quả có liên quan V= 2 a NA = K a NA Đến đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang một mode song là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi khi truyền. .. trúc tổng thể của sợi quang Tuỳ từng loại sợi mà có sự phân bố chiết suất khác nhau trong lõi sợi Nếu chiết suất phân bố đồng đều thì đợc gọi là sợi chiết suất bậc, nếu sợi phân bố theo quy luật tăng dần thì gọi là sợi chiết suất giảm dần Kích thớc của sợi phụ thuộc vào loại sợi, loại thứ nhất có đờng kính 2a = 50àm gọi là sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đờng kính 2a 10àm goi là sợi đơn mode Đờng... nên các tia sáng truyền trong lỏi Bị uốn cong dần Đờng truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhng vận tốc truyền cũng không thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đờng truyền dài hơn nhng có vận tốc truyền lớn hơn ( Vph = C/n ) và ngợc lại , các tia truyền gần trục có đờng truyền ngắn hơn nhng vận tốc truyền lại nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đờng ngắn nhất nhng đi với vận... đờng kính 2a 10àm goi là sợi đơn mode Đờng kính vỏ ( d ) của các loại sợi đều bằng 125àm Tổng hợp cả phân bố chiết suất và kích thớc của lõi để chia thành ba loại sợi, đó là sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất giảm dần, và sợi đơn mode( chiết suất bậc) 2.1.Lý THUYếT Về SợI QUANG: Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang: Có thể nói chung nhất có thể coi ánh sáng là: một chùm các phần... số Vậy số mode N truyền trong sợi đợc tính gần đúng nh sau: N V2 g * 2 g+2 Trong đó : V: Thừa số V g : Số mũ trong hàm chiết suất Số mode truyền đợc trong sợi chiết suất bậcSI là g: V2 N 2 Trang 21 Với sợi có chỉ số chiết suất giảm dần g = 3 thì số mode là: N V2 6 Tóm lại : sợi có thể truyền đợc nhiều mode đợc gọi là đa mode, sợi chỉ truyền đợc một mode gọi là đơn mode a )Sợi đa mode: Sợi đa mode có... n0 x sợi SI sợi GI Hình 2.10 Kích thớc sợi đa mode Đờng kính lõi d = 2a 50 à m Đờng kính lớp bọc D = 2b 125 à m Độ lệch chiết suất 1% Chiết suất lớn nhất của lõi n1 1,45 Sợi đa mode có thể là chiết suất bậc hoặc chiết suất giảm dần ( hình 2.10 ) b) Sợi đơn mode: Khi giảm kích thớc lõi sợi đễ chỉ có một mode sóng cơ bản truyền đợc trong sợi thì sợi đợc gọi là sợi đơn mode trên lý thuyết, sợi làm... cũng có thể dùng phổ biến 2.2 SUY HAO SợI QUANG: 2.2.1Định nghĩa : Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về Trang 23 khoãng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng nh xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật... hao ngoàI bản chất( không cố hữu)của sợi, khi bất kỳ một sợi quang nào bị uốn cong theo đờng cong có bán kính xác định sẽ có hiện tợng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoàI vỏ sợi và nh vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi sẽ bị suy hao Có hai loại uốn cong trong sợi là: Vi uốn cong : Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chổ bị uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang tăng lên Sự suy hao này xuất hiện... nghiêng đầu sợi e) Suy hao ghép nối giữa sợi quang và linh kiện thu phát quang Điều kiện đễ ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác định bằng khẩu độ số NA Khi so sánh về đặc điểm của LD và LED thì chúng có độ rộng chùm sáng khác nhau , khi ghép nối vào sợi quang thì laser có đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung nguồn sáng Ngoài ra loại sợi SM và . dụng trong hệ thống công nghiệp và dân dụng .1.2.Các u điểm và nh ợc của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang a) .hệ thống truyền dẫn quang có những. công nghệ chế tạo và giá thành .1.4. XU H ớng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang: Các nghiên cứu về truyền dãn trên cáp sợi quang