Tìm hiểu về phương pháp đo trên sợi quang

Bỏo cỏo thc Lời nói đầu: ====***==== Cách 20 năm, từ hệ thống thông tin cáp sợi quang thức đa vào khai thác mạng viễn thông ngời thừa nhận phơng thức truyền dẫn quang đà thể khả to lớn công việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại, hệ thống thông tin quang với u điểm băng tần rộng, có cự ly thông tin cao Đà có sức hấp dẫn mạnh nhà khai thác hệ thống thông tin quang không đặc biệt phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, đờng trục trung kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tơng lai Trong vòng mời năm qua, với vợt bậc công nghệ điện tử , viễn thông, công nghệ sợi quang thông tin quang đà có tiến vợt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày rộng rÃi nhiỊu lÜnh vùc th«ng tin, c«ng nghƯ th«ng tin quang đà đợc khai thác phổ biến mạng lới giai đoạn khởi khai phá tiềm nh ta đà biết kỹ thuật công nghệ thông tin quang có tiềm vô phong phú công việc nghiên cứu phát triển tiến tới phía trớc với tiền đồ rộng lớn Báo cáo thực tập đợc hoàn thành Công ty truyền dẫn Viettel Bản báo cáo nói đợc phần sợi quang nên nhiều hạn chế thiếu sót mong thầy cô giúp đỡ nhiều Chúng em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG I : Tổng quan thông tin quang 1.1 tiến trình phát triển hệ thống thông tin quang Từ xa xa loài ngời đà biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ gơng ý tởng truyền ánh sáng sợi thuỷ tinh coi bắt nguồn từ thí nghiệm suối ánh sáng john Tydll anh vào kỷ thø 19 Đại học giao thông vận tải Báo cỏo thc ( năm1870).Ngời ta quan sát ánh sáng ph¸t tõ mét ngn s¸ng, cã thĨ trun qua dòng nớc hẹp tợng phản xạ toàn phần Các thí nghiệm truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tin đợc thực đức vào năm 1930 Do sợi thuỷ tin lúc có lớp chiết xuất nên dễ gÃy suy hao lớn Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đà cho phép phát triển ứng dụng sợi quang.Sau laser đời, ngời ta đà thực hệ thống thông tin quang thử nghiệm ,lấy không khí làm môi trờng trun dÉn nh th«ng tin b»ng sãng v« tun Nhng việc truyền ánh sáng không thờng bị hạn chế điều kiện hạn chế tính truyền thẳng tia nh điều kiện thời tiết nh ma bÃo, sơng mù,nhiệt độ thay đổi , làm cho thông tin ổn định sóng vô tuyến Ngời ta dự tính truyền qua khoảng cách xa nhê sỵi quang, nhng suy hao cđa sỵi quang thời điểm lớn ( 1000dB/km vào năm 1967 ) Do ,việc sử dụng sợi quang hạn chế khoảng cách ngắn phòng thí ngiệm Vào năm 1970 ngời ta chế tạo thành công sợi quang Silic có suy hao 20 dB/km Năm 1976 ,hệ thống thông tin sợi quang dài 10km lần đợc lắp đặt Atlanta (Mỹ) với tốc độ 45Mbit/s Với tiến đạt đợc việc chế tạo linh kiện vi điện tử , điện quang công nghệ nh khuếch đại quang, ghép kênh theo bớc sóng, đà giúp thực hệ thống trun dÉn cã tèc ®é ®Õn 40 G bit/ s với cự li đến hàng nghìn Km (tuyến SEA - ME - WE 3) C¸c hƯ thèng trun dÉn quang đợc sử dụng ngày nhiều mạng viễn thông mà thêm nhiều ứng dụng hệ thống công nghiệp dân dụng 1.2.Các u điểm nhợc hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang a).hệ thống truyền dẫn quang có u điểm sau: Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 THz nm) vµ suy hao thÊp (0,2 – 0,25 dB / KM bớc sóng 1550nm) độ rộng băng tần lớn suy hao thấp điều cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao cự li xa Sợi quang không bị ảnh hởng nhiễm điện từ i học giao thông vận tải Báo cáo thực tập Tính an toàn tính bảo mật cao không bị rò sóng điện từ nh cáp kim loại Sợi quang có kích thớc nhỏ, không bị ăn mòn a xit, kiỊm, níc cã ®é bỊn cao HƯ thèng truyền dẫn quang có khả nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao cách thay đổi bớc sóng công tác kỹ thuật ghép kênh b).Nhợc ®iĨm cđa hƯ thèng trun dÉn quang: - Kh«ng trun dẫn đợc nguồn lợng có công suất lớn , hạn chế mức công suất cở vài miliwat - Tín hiệu truyền bị suy hao giÃn rộng, điều làm hạn chế cự li hệ thống truyền dẫn Thiết bị đầu cuối sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại - Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo linh kiện tinh vi đòi hỏi độ xác tuyệt đối việc hàn nối phức tạp - Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian khó không lợi dụng đợc đờng truyền nh hệ thống thông tin điện 1.3 Các hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang mạng viễn thông 1.3.1.Hệ thống truyền dẫn sợi quang, điều chế cờng độ tách sãng trùc tiÕp Trong hƯ thèng ®iỊu chÕ cêng ®é – thu trùc tiÕp , ngêi ta dïng tÝn hiÖu ®iƯn ®Ĩ ®iỊu chÕ cêng ®é bøc x¹ cđa ngn quang đầu thu tín hiệu đợc tách trực tiếp diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận đợc Các hệ thống truyền dẫn ®Ịu sư dơng nguyªn lý trªn.hƯ thèng ®iỊu chÕ cêng độ thu trực tiếp có u điểm đơn giản, dễ thực phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang không đòi hỏi cao thông số, chế độ hoạt động : bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực nhng trun dÉn ë tèc ®é cao tõ 2,5 Gbit/s trë lên độ nhạy thu bị giảm mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng đợc băng tần rộng sợi quang ( hàng chục nghìn GHz) Các hệ thống thông tin quang truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn phân cấp đồng (SDH): 155 Mbit/s 622M bit/s 2500M bit/s 10Gbit/s Nhờ sử dụng khuếch đại quang, cự li tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5 Gbit/s đất liền đạt khoảng 150 Km với hệ thống cáp quang thả biển, ngời ta đà thực tuyến 2,5 Gbit/s có chiều dài 10.073Km i hc Các luồng tín hiệu điện giao thụng ti Các luồng tín hiệu điện Khối ghé p kênh Bộ điều khiển Bỏo cỏo thc Trạm Nguồn Khuếch đại quang phục tín Khối Tách Kênh Lặp hiệu tuyến sử dụng 199 khuếch đại quang EDFA.(Erbium Doped Fiber Amplifier ) Bé biÕn ®ỉi E/0 Bé biÕn ®ỉi O/E Cáp Cáp Quang Quang Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.1 Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Hệ thông tin quang gồm thành phần : Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép 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 ngợc lại Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực việc điều biến tín hiệu thành tín hiệu quang để truyền vào sợi quang Các hệ thống thông tin quang coherent tơng lai áp dụng nguyên lý điều pha điều tần tín hiệu quang Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng Trạm lặp : Hoặc khuếch đại quang tuyến có tín hiệu dài Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín hiệu điện , khối khuếch đại khôi phục tín hiệu Các hệ thống thông tin quang đà phát triển qua hệ: Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuÊt bËc ( Step Index – SI ) vµ chiÕt suất biến đổi ( Graded Index GI ), hoạt ®éng ë bíc sãng 850nm Linh kiƯn thu, ph¸t thêng đợc sử dụng LED diode PIN Thế hệ 2:Sử dụng sợi quang đa mode, GI, hoạt động bíc sãng 850n mvµ 1300nm Nhê sư dơng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ cã thĨ trun hµng chơc Mbit/s qua cù ly vµi chơc km (B.L 1000MHz Km) ThÕ hƯ 3: Sư dơng sợi quang đơn mode , hoạt động bớc sóng 1300nm Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao nhiều sợi quang đa mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ truyền tốc độ hàng trăm Mbit/s qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km i hc giao thụng vận tải Báo cáo thực tập ThÕ hÖ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động bớc sóng 1550nm hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ 4, ngời ta bắt đầu sử dụng diode laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố DFB-Ditributed Feedback ), cho phÐp trun tèc ®é 2.5Gbit/s qua cù ly 150 – 200km không cần trạm lặp.Trong thời gian tới, phơng hớng phát triển công nghệ thông tin cáp sợi quang tiÕp tơc ph¸t triĨn hƯ Trong thèng IMDD song song với công nghệ ghép kênh theo bớc sóng, thời kỹ thuật khuếch đại quang sợi ( EDFA ) kỹ thuật bù tán sắc Mục đích tăng tốc độ truyền dẫn lên hàng chục Gbit/s cự ly trạm lặp lên hàng trăm km Sợi hồng quang- Hệ thèng quang coherent – GhÐp WDM Híng t¬ng lai DFBLD-( håi tiÕp ph©n bè) 1000 1500nm 100 1300nm 10 850nm sợi đa mode sợi đơn mode 0.01 0.1 tốc độ bit (G bit/sd ) 10 100 Hình 1.2 Các hệ phát triển hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.3.2 Hệ thống thông tin quang Coherent: Độ nhạy thu( dBm ) thu trực tiếp i học giao thông vận tải Báo cáo thực tập -40 thu Coherent -60 -80 102 103 104 Tèc ®é ®êng trun ( Mbit/s ) H×nh 1.3 Sù phơ thc độ nhạy thu vào tốc độ đờng truyền Từ nhiều năm nay, ngời ta đà tiến hành nghiên cứu thử nghiệm vể hệ thống thông tin quang coherent u điểm bật hệ thống thông tin quang coherent so víi HƯ thèng ®iỊu chÕ trùc tiÕp cờng độ ánh sáng : Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15-20dB Điều cho phép tăng cự li truyền dẫn không cần trạm lặp từ 75-100km Nâng cao lực truyền dẫn nhờ khả sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số (FDM) với kü tht FDM, chóng ta cã thĨ sư dơng mét băng thông rộng khoảng 20.000Ghz (ở bớc sóng 1500mm-1600mm) Tơng đơng với khả truyền dẫn 120 triệu kênh thoại đôi quang Sơ đồ hệ thống coherent cã thĨ biĨu diƠn nh h×nh VÏ: TÝn hiƯu vào Diode Laser Điều chế Điều khiển Khối thu quang i hc giao thụng ti Cáp sợi quang Mạch trung tần Bộ khuếch đại quang Khuếch đại giải Tín hiệu Bỏo cỏo thc phân cực điều chế Bộ dao động nội Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống thông tin quang coherent đầu phát : tín hiệu quang đợc điều chế nguyên lý dịch pha PSK PSK: khoá dịch tần FSK kỹ thuật FSK cho PHép giảm độ thu xuốnh 2-3dB, nhng yêu cầu bề rộng phổ nguồn phát hĐp (tû sè bỊ réng phỉ/tèc ®é trun 10-4) kỹ thuật FSK yêu cầu tỷ số bề rộng phổ/ tốc độ truyền 10-1) Sợi quang: Sợi quang dùng hệ thống coherent loại sợi quang đơn mode thông thờng sợi đơn bảo toàn phân cực Nếu sử dụng sợi đơn mode thờng, trớc thu ta cần sử dụng điều chỉnh phân cùc Khèi thu: Trong hÖ thèng coherent , khèi thu đợc chia thành hai loại heterodyne homodyne đầu thu, tín hiệu thu đợc trộn với tín hiệu dao động nội thu heterodyne, tần số dao động nội khác tần số tín hiệu tới ®èi víi bé thu homodyne, tÇn sè dao ®éng néi trïng víi tÇn sè tÝn hiƯu Kü tht thu hemodyne nhạy thu hemodyne khoảng dB nhng khó thực tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu đợc Hệ thống thông tin quang kết hợp đợc phép truyền liệu với tốc độ hàng chục Gbit/s trở lên qua khoảng cách xa nhng cha đợc sử dụng thực tế khó khăn công nghệ chế tạo giá thành 1.4 XU Hớng phát triển hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang: Các nghiên cứu truyền dÃn cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu tăng tốc độ truyền dẫn cự li tăng khoảng lặp Các hớng phát triển kỷ thuật thông tin cáp sợi quang là: 1.4.1.Sự dụng kỹ thuật phân kªnh theo bíc sãng ( WDM ): Trong hƯ thèng ghÐp kªnh theo bíc sãng, ngêi ta sư dơng nhiỊu nguồn quang (thờng laer hồi tiếp phân bố DFB có bề rộng phổ hẹp ), hoạt động i học giao thông vận tải Báo cáo thực tập bớc sóng khác khoÃng cách kênh đợc chọn phụ thuộc vào ổn định theo nhiệt độ nguồn sáng khả ghép kênh /tách kênh, chẳng hạn 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 ghép đợc 18 kênh, kênh truyền 2.5 Gbit/s, tơng đơng 30 240 kênh thoại hệ thống có khả truyền 500 000 kênh thoại đôi quang Hiện ngời ta đà thực đợc hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc độ 40 Gbit/s cách ghép kênh theo bớc sóng 16 luồng tốc độ 2.5 Gbit/ s DBF1 1 To Op DBF2 2 2  MUX 18 DEMMUX 18 DBF18 Single- Mode Fiber -10 1 = 1,527nm nm -20 18 = 1,561nm 2nm -30 -40 -50 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1,544.5 1,510.5 1,540.5 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bíc sãng 1.4.2.Thùc hiƯn c¸c hƯ thèng trun dÉn coherent sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần sè ( FDM – Frequency Division Multiplex) Kü thuËt FDM cung cấp khả truyền dẫn lớn hiỊu so víi kü tht GhÐp kªnh theo bíc sãng khoảng cách kênh hệ thống i hc giao thông vận tải Báo cáo thực tập ghÐp kênh theo tần số yêu cầu khoảng 5GHz( tơng đơng 0.04nm bớc sóng 1550nm), kênh kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng khoảng 250 GHz tức 2nm.Nếu kênh truyền tốc độ 2.5 Gbit/s, ta truyền dung lợng tơng đơng30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh thoại đôi sợi quang CHƯƠNGII: CáC THÔNG Số CủA SợI QUANG 2.0.Giới thiệu cÊu tróc tỉng thĨ vỊ sỵi quang CÊu tróc cđa sợi quang nh (hình2.0), gồm lõi thuỷ tinh hình trụ tròn vỏ thuỷ tinh bao quanh lõi Lõi thuỷ tinh dùng để truyền ánh sáng, vỏ thuỷ tinh có tác dụng tạo phản xạ toàn phần lớp tiếp giáp lõi vỏ i hc giao thông vận tải Báo cáo thực tập Muèn vËy số khúc xạ hay gọi chiết suất lõi phải lớn chiết suất vỏ 2a d lõi vỏ Hình 2.0.Cấu trúc tổng thể sợi quang Tuỳ loại sợi mà có phân bố chiết suất khác lõi sợi Nếu chiết suất phân bố đồng đợc gọi sợi chiết suất bậc, sợi phân bố theo quy luật tăng dần gọi sợi chiết suất giảm dần Kích thớc sợi phụ thuộc vào loại sợi, loại thứ có đờng kính 2a = 50m gọi sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đờng kính 2a 10m goi sợi đơn mode Đờng kính vỏ ( d ) loại sợi 125m Tổng hợp phân bố chiết suất kích thớc lõi để chia thành ba loại sợi, sợi ®a mode chiÕt st bËc, sỵi ®a mode chiÕt st giảm dần, sợi đơn mode( chiết suất bậc) 2.1.Lý THUYếT Về SợI QUANG: Nguyên lý lan truyền ánh sáng sỵi quang: Cã thĨ nãi chung nhÊt cã thĨ coi ánh sáng là: chùm phần tử hạt bé đợc phát từ nguồn sáng phần tử đợc hình dung nh theo đờng thẳng thâm nhập vào môi trờng suốt nhng lại bị phản xạ gặp môi trờng đục a) Chiết xuất môi trờng : Chiết xuất môi trờng đợc xác định bëi tû sè cđa vËn tèc ¸nh s¸ng trun chân không vận tốc ánh sáng n = c/v ( 2.1 ) n: chiÕt xuÊt m«i trờng , không đơn vị c: vận tốc ánh sáng truyền chân không , đơn vị m/s v : vận tốc ánh sáng truyền môi trờng , đơn vị m/s Vì v c nên n 1,50 1,49 Đại học giao thông vận tải