Môc lôc 1 M¹ch ®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang Tr¹m lÆp M¹ch ®iÖn Ph¸t quang Bé nèi quang Mèi hµn sîi Sîi dÉn quang Bé chia quang Bé thu quang TÝn hiÖu ®Çu vµo Ch¬ng1 KH¸I QU¸T VÒ TH¤NG TIN QUANG I Kh¸i q[.]
Chơng1: KHáI QUáT Về THÔNG TIN QUANG I Khái quát Do phát triển hệ thống truyền dẫn, đòi hỏi tổ chức luồng kênh cực lớn Với kỹ thuật thông tin quang ngời ta tạo hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hệ thống điện Hiện hệ thống truyền dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s Trớc tiên sử dụng khoá điện tử, sau đến hệ thống chuyển mạch photon dùng ánh sáng để chuyển mạch Khi mạng thuê bao đà chuyển sang dùng cáp quang mạng thông tin túy Hiện thông tin quang giai đoạn phát triển ban đầu Nó đợc ứng dụng để hoạt động song song với hệ thống truyền dẫn truyền dẫn thông tin điện tải tin quang nhờ trình chuyển đổi điện quang quang điện bên thu bên phát II Hệ thống truyền dẫn quang Error: Reference source not found Các thành phần tuyến có phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trờng bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần Ngoài thành phần chủ yếu có mối hàn nối quang, chia quang trạm lặp Tất tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Mạch điều khiển Nguồn phát quang Tín hiệu đầu vào Bộ nối quang Mối hàn sợi Sợi dẫn quang Trạm lặp Bộ chia quang Mạch điện Phát quang Khuếch đại quang Đầu thu quang Tín hiệu Chuyển đổi tín hiệu đầu Tuyến truyền dẫn cáp sợi quang III Phạm vi ứng dụng kĩ thuật truyền dẫn quang Ngày hệ thống truyền dẫn quang đợc sử dụng nhiều lĩnh vực đời sống Trong lĩnh vực thông tin, hệ thống truyền dẫn quang đợc ứng dụng vào hên thống trung kế hệ thống tổng đài điện thoại tuyến truyền dẫn đờng trục có dung lợng lớnvà cự li xa Trong mạng digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang đợc sử dụng vào miền thuê bao phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, hình ảnh, số liệu Trong mạng truyền hình cáp, sợi đợc sử dụng có hiệu quả, thay cho việc truyền dẫn qua không gian sóng vô tuyến Ngoài sóng đợc sử dụng hệ thống cự li ngắn ®Ĩ trun cac sè liƯu ®o lêng , ®iỊu khiĨn, số liệu thiết bị tính toán thông tin văn phòng phạm vi mạng LAN Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành loại theo phạm vi ứng dụng: hệ thống thông tin đờng dài hệ thống thông tin cự li ngắn Hệ thống truyền dÉn gåm : c¸p quang, linh kiƯn ph¸t quang ë đầu phát linh kiện thu quang đầu thu, nối, chỗ hàn nốivà linh kiện thụ động Chúng định giá thành hệ thống Với hệ thống đờng dài, tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm cách khoảng lặp Vì cáp quang cần khối lợng lớn nhng phần tử định giá Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát có công suất lớn Vì sợi quang đơn mốt đợc u tiên sử dụng, kèm theo cáac hàn nối đắt tiền Điot LED đợc sử dụng công suất nhỏ, mà LD đợc sử dụng nhiều Điot thu đợc lu ý chọn có độ nhạy cao, chẳng hạn APD PIN-FET Với hệ thống cự li ngắn cáp vai trò định, mà ngợc lại nối linh kiện thu, phát quang Có thể sử dụng sợi quang đờng kính lớn nh sọi đa mốt SI GI Công suất phát quang không cần lớn, nên dùng LED Tốc độ truyền dẫn không lớn, nên diot thu không cần loại băng rộng đọ nhạy cao, có thĨ dïng diot PIN Nh vËy tun trun dÉn quang trờng hợp có tiêu tối u khác IV Các phơng pháp ghép kênh Ghép kênh tín hiệu điện PCM tín hiệu quang theo thời gian Hiện tồn tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mà PCM Đó châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn Mỹ-Nhật 1,544Mb/s cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn Vì sợi quang có tiêu hao nhỏ độ rộng băng lớn nên tăng số kênh đến 1,6 2,2Gb/s mà rút ngắn khoảng lặp Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM xung phát ngày hẹp lại , đòi hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên lớn Chỉ có sợi quang với độ rộng băng truyền dẫn rộng cho phép truyền dẫn tín hiệu PCM tốc độ lớn nh Từ khả ghép thời gian hƯ thèng trun dÉn cã thĨ ghÐp tÝn hiƯu theo thời gian Mỗi tín hiệu quang chùm PCM đà qua biÕn ®ỉi ®iĐn quang Nhê ®ã tèc ®é trun dẫn tăng lên cao x4 x5 6,312 96 kênh 1,544 480 kªnh x4 2,048 30 kªnh x7 96 kªnh x4 8,448 6,312 120 kªnh 2.GhÐp kªnh theo bíc sãng 34,368 480 kªnh x4 97,728 397,2 1440 kªnh 480 kªnh x2 24 kªnh x 64Kb/s x 3,152 32,064 x3 5760 kªnh x4 44,736 4032 kªnh 672 kªnh x4 274,176 x4 139,264 1920 kªnh 560 7680 kªnh P1 P3 P2 T3 SQ GhÐp-t¸ch luång GhÐp-t¸ch luång MULDEX MULDEX P4 T1 T2 T4 Nguyªn lý ghép kênh theo bớc sóng Trong phơng pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng sợi quang cho hai hớng thu phát độc lập Ngoài thực thu phát kênh theo bớc sóng để thực trun dÉn chiỊu theo cïng sỵi quang NhiỊu tín hiệu PCM ghép theo thời gian đợc truyền dẫn sợi quang nhờ ghép vào bớc sóng khác nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị hình dới Các thiết bị ghép tách luồng MULDEX lọc ánh sáng Máy phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bớc sóng Còn đầu máy phát P3,P4 xạ ánh sáng bớc sóng Các tần số quang đợc lọc đầu đờng dây tách Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái sinh sau ghép trở lại tuyến chung Phơng pháp ghÐp luång rÏ híng G1 G2 P2 2 Nguyên lí ghép tách luồng Hai luồng quang 1và hòan tòan độc lập với bớc sóng sử dụng phơng pháp ghép kênh tín hiệu điện, đợc tách thành luồng quang luồng đến Hai gơng đầu thu G1, G2 loại thu chiều Một gơng cho luồng béc xạ phát máy phát qua phần tổn thất ngoài, không lọt vào điôt thu Các gơng làm nhiệm vụ tách luồng thu phát đợc sợi quang Các phơng pháp độc lập nhau, nên kết hợp chung để sử dụng, tăng hiệu suất cho sợi V Phân loại hệ thống truyền dẫn quang Phân loại theo dạng tín hiệu điện Tín hiệu đa vào điều biến analog digital Hệ thống analog đợc chế tạo sử dụng, hệ thống băng tần tín hiệu rộng đặc tính công t¸cphi tun cđa diot laser ph¸t, cđa diot thu quang, ảnh hởng tán xạ sợi quang Các hệ thống thu quang d¶i réng hiƯn trun dÉn digital díi dạng ghép kênh PCM theo cấp tiêu chuẩn 2.Theo phơng pháp điều biến giải điều biến tín hiệu biên Theo phơng pháp điều biến quang đầu phát tách tín hiệu quang đầu thu nên phân loại sau: a Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực điều biến trực tiếp diot laser Các tín hiệu điện điều biến vào cờng độ xạ nguồn quang đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp diot quang từ công suất quang da vào Các phần tử hệ thống làm việc chế độ dơn mốt "một tần số" mà đẩm bảo khả truyền dẫn Nhng hệ thống có tốc độ cực lớn bị hạn chế độ nhạy độ rộng băng truyền dẫn cự li khỏang lặp b Hệ thống thu kết hợp: Phơng pháp điều biến gián tiếp nguồn quang đầu phát Luồng tín hiệu điện luồng xạ quang dơn sắc đa vào đợc điều biến điều biến quang đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang đầu phát Luồng tín hiệu quang thu đợc từ sợi quang đợc đa vào trọn diot quang với nguồnquang đơn sắc phát quang nội để lấy đầu tần số trung gian, đợc đa đến mạch tách sóng để tách tín hiệu điện ban đầu f1 Phát Điôt trộn f0 Thu Nguyên lí thu kết hợp Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bớc sóng tơng ứng phần bớc sóng f1 điều biến tải tin điều biên, điều tần điều pha Tại đầu thu có phát quang nội, phát xạ tia có bớc sóng tơng ứng fo Cả f1, fo đa vào trộn diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn ®đ lín cì 10GHz §đ ®Ĩ mang tÝn hiƯu ®iỊu biến ban đầu có độ rộng băng lớn Nhng không lớn để đảm bảo khả khuếch đại củamạch khuếch đại điện tử Sau trình tách sóng lọc thu đợc tín hiệu ban đầu So với phơng pháp trực tiếp phơng pháp có độ nhạy cao hơn, tỉ số tín nhiễu S/N lớn nên tăng cự li trạm lặp nên truyền tín hiệu băng tần rộng Hiện đợc sử dụng rộng rÃi Theo tốc độ cự li truyền dẫn Các hệ thống đờng dài chủ yếu đơch sử dụng mạng điện bao gồm mạng két nối truyền dẫn giừa vùng, mạng trung kế tổng đài, mạng thuê bao mạng dịch vụ tổng hợp mạng phân phối truyền hình Hiện phân phối thành loại: Hệ thống có dung lợng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s dung lợng trung bình với tốc độ34Mb/s sử dụng mạng thuê bao ISDN mạng trung kế tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km thành phố 20_30km vùng nông thôn , trạm lặp Các hệ thống liên tỉnh với dung lợng lớn tốc ®é trun dÉn 140Mb/s trë lªn, cù li trun dÉn xa Hệ thống gồm trạm đầu cuốivà trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn 50km hàng trăm km Đặc biệt hệ thống cáp quang quốc tế dới biển đợc thiết kế với tốc độ 280,420,565,1200 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40 >400km VI Các hệ phát triĨn cđa hƯ thèng trun dÉn quang ThÕ hƯ thứ Bắt đầu từ năm 1970 Sợi sử dung chủ yếu loại SI GI, bớc sóng ngắn 0,85mm Linh kiện pháp LD LED Linh kiện thu diot quang Si Vì có ảnh hởng tán xạ vật liệu tán xạ mốt Nên tích số độ rộng băng (B) độ dài khỏang lặp (L) nhỏ BL=400 >1200MHz Tán xạ tiêu hao sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền cự li khỏang lặp Hệ thống có dung lợng nhỏ trung bình, chủ yếu sử dụng mạng trung kế tổng đài 2.Thế hệ thứ hai Nhờ tiến công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bớc sóng dài 1,3mm Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát LD,LED loại InGaAsP Linh kiện thu APD Hoặc PIN nhóm III-IV tổ hợp PIN-GaAsMESFET Không tán xạ vật liệu, tán xạ mốt, tích số BL tăng lên Tốc độ truyền trung b×nh 34Mb/s cù li trung b×nh 3km ThÕ hƯ thứ ba Sử dụng sợi đơn mốt SM, bớc sóng dài 1,3m.Không tán xạ mốt vật liệu Tán xạ tổng cộng bé Hệ thống dùng cho đờng trục với dung lợng lớn, tốc độ truyền dẫn cao vợt cự li xa Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung bình độ rộng phổ xạ, muốn tăng L giảm tán xạ sợi quang gỏam ®é réng phỉ bøc x¹ NÕu sư dơng LD céng hởng Fabry-Perot thông thờng (FP-LD) đạt cự li 50-60km cho hƯ thèng 140MB/s ë bøoc sãng 1,3mm NÕu tèc ®é cao 400MB/s 565MB/s để cự li 50km Khi dùng FP-LD phải chọn điều khiển cáp có tán xạ nhỏ độ rộng phổ nhỏ, cáp đợc lắp đặt tốt Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km chọn nguồn xạ có độ rộng phổ nhỏ Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L tán xạ tăng, gây tạp âm phân bố mốt Thế hệ đợc sử dụng rộng rÃi giới Thế hệ thứ t Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn phải: Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ Sợi quang đơn mốt có tán xạ dịch chuyển DS-SM đợc sư dơng Sư dơng diot laser ph¸t tin cËy, cã độ rộng phổ xạ bé, đơn mốt Các diot laser BH-LD DFB-LD đợc chọn Chọn diot thu quang có độ nhạy cao Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớp InGaAsP có tạp âm nội dòng tối nhỏ Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với GaAs-MESFET làm tiền khuếch đại có trở kháng vào cao điện dung kí sinh nhỏ Cho phép tăng đọ nhạy thu Xu phát triển hệ thống trun dÉn quang t¬ng lai - Sư dơng kÜ tht phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng nhu cầu truyền dẫn tăng vợt số lợng đờng thông tin có Mỗi kênh quang cần có lặp trung gian riêng Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít kênh lớn - Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent, nhờ đạt mật độ kênh cao Trong tơng lai phơng pháp Coherent đóng vai trò chủ yếu tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB Cự li khỏang lặp kéo dài đáng kể Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km Truyền dẫn 36bit/s 400Mbit/s vợt khỏang lặp 300km Khó khăn chế tạo diot leser xạ ánh sáng kết hợp chất lơng cao - Phát triển loại sợi quang vật liệu Flor(F) thay SiO 2, đạt giá trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km - Phát triển vi mạch quang Tích hợp quang điện tử tích hợp DEIC Sử dụng cách thức sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng VII Ưu ®iĨm cđa kÜ tht trun dÉn quang Sỵi quang nhá nhẹ cáp kim loại Đờng kính mẫu sợi quang 0,1mm nhỏ nhiều cáp đồng trục có đờng kính 10mm Do nhỏ nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo ít, lại đợc lắp đặt dễ dàng tay Các cáp quang cho phép tăng cờng đợc nhiều kênh truyền mà tăng đờng kính Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh môi trờng trung tính với ảnh hởng nớc, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn mòn lớp bảo vệ có h hỏng bên sợi thuỷ tinh tốt hoạt động đợc Sợi thuỷ tinh sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập mạch Tín hiệu truyền sợi quang không sợ bị ảnh hởng điện từ bên Nên sử dụng nơi có nhiễu điện từ trờng mạnh nh nhà máy, nhà máy điện Vì nhẹ không ảnh hởng điện từ nên đợc dùng máy bay, tàu thuỷ, công nghiệp truyền số liệu Vì không gây nhiễu bên không gây xuyên âm sợi quang nên bảo đảm không bị nghe trộm Vì sợi điện môi nên đầu vào cách điện mạch vòng chạy qua đất Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc vào tần số tín hiệu Tiêu hao nhỏ dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn cáp kim loại có chi phí xây dựng Vì tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn VIII Nhợc điểm Truyền dẫn quang đòi hỏi đầu t ban đầu lớn tốn Nớc ta nớc pháp triển nên vấn đề gặp nhiều khó khăn Lắp đặt sợi quang đòi hỏi độ xác cao, thiết bị đắt tiền Chơng 2: Sợi quang I Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo phân loại Nguyên lí Dựa vào tợng phản xạ toàn phần tia sáng mặt phân cách hai môi trừơng Khi từ môi trờng chiết suất cao sang môi trờng chiết suất thấp để truyền ánh sáng sợi quang 2.Cấu tạo a Error: Reference source not found dk dm Sợi gồm lõi dẫn quang đặc có chiết suất n, bán kính a, đơng kính lµ dk Líp vá cịng lµ vËt liƯu dÉn quang bao quanh ruét cã chiÕt suÊt n < n1 có đờng kính dm Độ lệch chiết suất tuyệt ®èi n = n1 – n2 §é lƯch chiÕt st tơng đối n/n1 Hai tham số đặc trng cho khả truyền dẫn sợi quang Những đờng kính thông dụng sợi quang Lõi từ 10 / 125 m: sợi đơn mốt truyền thông tin với tốc độ cao suy hao thấp Nó đợc sử dụng cho khoảng cách lớn truyền số liệu tốc độ cao Do lõi nhỏ nên đòi hỏi độ xác mối hàn cao Lõi 50/125 m: loại sử dụng rộng rÃi Do gãc më ( n A) thÊp vµ kÝch thíc lâi nhỏ nên cần lợng ánh sáng tối thiểu cho sợi đa mốt Trong tất loại sợi đa mốt loại có băng thông rộng