Công nghệ thông tin quang

Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Lời mở đầu Cùng với phát triển nh vũ bÃo năm vừa qua nghành viễn thông giới nói chung nghành viễn thông Việt Nam nói riêng công nghệ truyền dẫn không ngừng phát triển luôn đợc cải tiến, đại hoá Nói chung với nhịp phát triển công nghệ truyền dẫn công nghệ truyền dẫn quang đà mở khả truyền dẫn thông tin to lớn nghành viễn thông Hiện Việt Nam, tuyến cáp quang liên tỉnh nội hạt sử dụng công nghệ truyền dẫn phân cấp số đồng (SDH Synchronous Digital Hierachy) công nghệ truyền dẫn đợc khuyến nghị sử dụng toàn giới Nó cho phép tơng thích thiết bị với cho phép xen - rẽ luồng số có tốc độ khác cách linh hoạt Để áp dụng thành tựu kỹ thuật truyền dẫn quang vào mạng viễn thông Việt Nam cách có hiệu Thì việc học tập nghiên cứu công nghệ truyền dẫn thiết bị truyền dẫn quang cần thiết Vì em chọn công nghệ truyền dẫn quang làm đề tài cho đồ án tôt nghiệp em Nội dung đồ án gồm phần: Phần I: Hệ thống thông tin sợi quang Phần II: Công nghệ truyền dẫn SDH Cuối em xin chân thành cảm ơn tất thầy co giáo khoa điện tử - viễn thông trờng ĐHBKHN đà tận tình bảo em năm qua Đặc biệt em xin chân thành cảm giảng viên hớng dẫn, cô Nguyễn Bích Hun ®· gióp ®ì, híng dÉn em rÊt nhiỊu việc nghiên cứu hoàn thành đồ án Trong đồ án em đà nghiên cứu xem xét kỹ phần nhng không tránh khỏi thiếu sót, mong thầy cô bạn bè đóng góp ý kiến để kiến thức em hoàn thiện Hà nội, Ngày 16 tháng 06 năm 2007 SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Phần Sợi quang Chơng I : Giới thiệu tổng quát 1.1 Lịch sử phát triển: Trải qua thời gian dài từ ngời sử dụng ánh sáng lửa để làm phơng tiện thông tin liên lạc đến lịch sử thông tin quang đà qua bớc phát triển hoàn thiện đợc ghi nhận mốc chÝnh sau: - 1790: CLAUDE CHAPPE, kü s ngêi Ph¸p, đà xây dựng hệ thống điện báo quang (Optical Telegraph) hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu di động Thời tin tức đợc truyền hệ thống vợt chặng ®êng 200 km vßng 15 - 1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý ngời Anh, đà chứng tỏ ánh sáng dẫn đợc theo vòi nớc uốn cong Thí nghiệm ông đà sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, điều áp dụng cho sợi quang ngày - 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL, ngêi Mü, giíi thiƯu hƯ thèng photophone, qua ®ã tiÕng nói truyền ánh sáng môi trờng không khí mà không cần dây Tuy nhiên hệ thống cha đợc áp dụng thực tế nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lợng ®êng truyÒn - 1934: NORMAN R FRENCH, kü s ngêi Mỹ, nhận đợc sáng chế hệ thống thông tin quang Phơng tiện truyền dẫn ông thủ tinh - 1958: ARTHUR SCHAWLOW vµ CHARLES H TOWNES, xây dựng vầ phát triển laser - 1960: THEODOR H MAIMAN đa laser vào hoạt động thành công - 1962: Laser bán dẫn photodiode bán dẫn đợc thừa nhận Vấn đề lại phải tìm môi trờng trun dÉn quang thÝch hỵp - 1966: CHARLES H KAO GEORGE A HOCKHAM, hai kỹ s phòng thí nghiệm Standard Telecommunications cđa Anh, ®Ị xt viƯc dïng thủ tinh để truyền dẫn ánh sáng Nhng công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời hạn chế nên suy hao sợi lớn ( ~ 1000 dB/km) - 1970: HÃng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ 20 db/km bớc sóng 633 nm - 1972: Loại sợi GI đợc ché tạo với độ suy hao dB/km - 1983: Sợi đơn mode (SM) đợc xuất xởng Mỹ - Ngày sợi đơn mode đợc sử dụng rộng rÃi độ suy hao loại sợi khoảng 0,2 dB/km bớc sóng 1550 nm 1.2.Các thành phần tuyến truyền dẫn sợi quang: Tín hiệu điện Tín hiệu quang Mạch kích thíchNguồn quang SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ Thiết bị phát Tín hiệu điện Linh kiện thu quang Phục hồi tín hiệu KĐ Sợi quang GVHD: Nguyễn Bích Huyền Thiết bị thu Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Các thành phần tuyến truyền dẫn sợi quang đợc nêu hình Trong tín hiệu điện dạng analog digital, ngày tín hiệu digital đợc dùng phổ biến Tín hiệu điện đợc đa vào thiết bị phát biến đổi điện - quang Và sau gửi vào cáp quang Trên cáp quang, mà khoảng cách truyền dẫn lớn cần thiết có trạm lặp (nh hình dới) Các trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện để khuếch đại Tín hiệu điện đà đợc khuếch đại đợc biến đổi thành tín hiệu quang đêt tiếp tục truyền tuyến cáp sợi quang Sau thiết bị thu hay biến đổi quang - điện, tín hiệu quang thu đợc biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục nguyên dạng tín hiệu đợc đa vào Tín hiệu đà khôi phục đợc truyền tới thiết bị đầu cuối trạm truyền dẫn Nếu cự ly truyền dẫn dài hai trạm đầu cuối một vài trạm tiếp vận với sơ đồ khối sau : Tín hiệu quang Tín hiệu quang Thu quang KĐ Sửa dạng Phát quang 1.3.Những ứng dụng sợi quang : Cùng với phát triển kh«ng ngõng vỊ th«ng tin viƠn th«ng, hƯ thèng trun dẫn quang - truyền tín hiệu sợi quang đà phát triển mạnh mẽ nhiều nớc giới Do có nhiều u điểm hẳn hình thức thông tin khác dung lợng kênh, kinh tế mà thông tin quang giữ vai trò việc truyền tín hiệu tuyến đờng trục tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dơng Công nghệ ngày đà tạo kỹ thuật thông tin quang phát triển thay đổi theo xu hớng đại kinh tế Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ điều đà làm đơn giản việc tăng đợc chiều dài toàn tuyến thông tin quang Thêm vào công nghệ thông tin quang kết hợp khuếch đại quang đời làm tăng chiều dài đoạn lên gấp đôi gấp n lần Nh chất lợng tín hiệu thu hệ thống đợc cải thiện cách đáng kể nớc ta thông tin cáp sợi quang ngày chiếm vị trí quan trọng Các tuyến cáp quang đợc hình thành, đặc biệt hệ thống cáp quang Hà Nội - Hồ Chí Minh chiếm vị trí quan trọng thông tin toàn quốc Trong tơng lai mạng cáp quang đợc xây dựng rộng khắp Tuyến đờng trục cáp quang đợc rẽ nhánh tới tỉnh, thành phố, quận, huyện xây dựng tuyến cáp quang nội hạt Vị trí sợi quang mạng thông tin giai đoạn nay: - Mạng đờng trục xuyên quốc gia - Mạng riêng công ty đờng sắt, điện lực, SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang - Đờng trung kế - Đờng cáp thả biển liên quốc gia - Đờng truyền số liệu, mạng LAN - Mạng truyền hình - Trong tơng lai sợi quang đợc sử dụng mạng thuê bao 1.4.u điểm thông tin sợi quang: So với dây kim loại sợi quang có nhiều u điểm đáng ý là: - Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận giảm đợc số trạm tiếp vận - Dải thông rộng: cã thĨ thiÕt lËp hƯ thèng trun dÉn sè tèc ®é cao - Träng lỵng nhĐ, kÝch thíc nhá - Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hởng sấm xét - Không bị can nhiễu trờng điện từ - Xuyên âm giữ sợi dây không đáng kể - Vật liệu chế tạo có nhiều thiên nhiên - Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế so với sợi kim loại dung lợng cự ly *** SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Chơng II : Lý thuyết chung sợi dẫn quang 2.1.cơ sở quang học: ánh sáng dùng thông tin quang nằm vùng cận hồng ngoại với bớc sóng từ 800 nm đến 1600 nm Đặc biệt có bớc sóng thông dụng 850 nm, 1300 nm, 1550 nm 2.1.1.ChiÕt st cđa m«i trêng: Trong ®ã : n= C V n: chiÕt st cđa m«i trờng C: vận tốc ánh sáng chân không C = 108m/s V: vận tốc ánh sáng môi trờng Vì V C nên n 2.1.2.Sự phản xạ toàn phần: Định luật Snell : n1 sin = n2 sin Môi trờng 2: n2 Tia khúc xạ 2’ M«i trêng 1: n1 T 3’ 1 Tia phản xạ Tia phản xạ Hình 2.1 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng Nếu n1 n2 tăng tăng theo luôn lớn Khi = 900 tức song song với mặt tiếp giáp, đợc gọi góc tới hạn T tiếp tục tăng cho T không tia khúc xạ mà tia phản xạ tợng gọi phản xạ toàn phần Dựa vào công thức Snell tính đợc góc tới hạn T : 2.2.Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang: sin T = n2 n1 * Nguyên lý truyền dẫn chung: SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang ứng dụng tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm lõi (core) b»ng thủ tinh cã chiÕt st n1 vµ mét líp bäc (cladding) b»ng thủ tinh cã chiÕt st n2 với n1 n2 ánh sáng truyền lõi sợi quang phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) mặt tiếp giáp lõi lớp vỏ bọc Do ánh sáng truyền đợc sợi có cự ly dài sợi bị uốn cong với độ cong có giới hạn Lớp bọc (cladding) n2 n2 n Lâi (core) n1 n1 Líp bäc (cladding) n2 Hình 2.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang 2.3.các dạng phân bố chiết suất sợi quang: 2.3.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index): Đây loại sợi có cấu tạo đơn giản với chiết suất lõi lớp vỏ bọc khác cách rõ rệt nh hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác truyền theo đờng khác n2 n2 n1 n n1 > n2 n2 Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) Các tia sáng trun lâi víi cïng vËn tèc : V= C n1 n1 không đổi mà chiều dài đờng truyền khác nên thời gian truyền khác chiều dài sợi Điều dẫn tới tợng đa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận đợc xung ánh sáng rộng cuối sợi Đây hiên tợng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI trun tÝn hiƯu sè tèc ®é cao qua cù ly dài đợc Nhợc điểm khắc phục đợc loại sợi có chiết suất giảm dần 2.3.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index): Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, chiết suất lõi thay đổi cách liên tục nên tia sáng truyền lõi bị uốn cong dần n2 n2 n1 n(r) SVTH: Ngun ThÞ Thủ GVHD: Ngunn2 Bích Huyền Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng sợi GI Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Đờng truyền tia sáng sợi GI cịng kh«ng b»ng nhng vËn tèc trun cịng thay ®ỉi theo C¸c tia trun xa trơc cã ®êng trun dài nhng lại có vận tốc truyền lớn ngợc lại, tia truyền gần trục có đờng truyền ngắn nhng lại có vận tốc truyền nhỏ Tia truyền dọc theo trục có đờng truyền ngắn chiết suất trục lớn Nếu chế tạo xác phân bố chiết suất theo đ ờng parabol đờng tia sáng có dạng hình sin thời gian truyền tia Độ tán sắc sợi GI nhỏ nhiều so với sợi SI 2.3.3.Các dạng chiết suất khác: Hai dạng chiết suất SI GI đợc dùng phổ biến , có số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng yêu cầu đặc biệt: Dạng giảm chiết suất lớp bọc: Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất  nhng cã chiÕt suÊt lâi n1 kh«ng cao  Dạng dịch độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng sợi quang triệt tiêu bớc sóng gần 1300nm Ngời ta dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng 1550nm cách dùng sợi quang có dạng chiết suất nh hình vẽ: Dạng san tán sắc: Với mục đích giảm độ tán sắc sợi quang khoảng bớc sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng ngời ta dùng sợi quang có dạng chiết suất nh hình vẽ: SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Dạng chiết suất phức tạp nên đợc nghiên cứu phòng thí nghiệm cha đa thực tế 2.4.sợi đa mode đơn mode: 2.4.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode): Các thông số sợi đa mode thông dụng (50/125m) là: - Đờng kính lõi: d = 2a = 50m - §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125m - Độ chênh lệch chiết suÊt: = 0,01 = 1% - ChiÕt suÊt lín nhÊt cđa lâi: n1 1,46 SVTH: Ngun ThÞ Thủ GVHD: Ngun Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc chiết suất giảm dần 50 m 50 m 125 m 125 m n1 n2 n1 n2 H×nh 2.5 Sợi đa mode b) Sợi GI n1 n 1% n1 a) Sợi SI 2.4.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ): Khi giảm kích thớc lõi sợi để có mode sóng truyền đợc sợi sợi đợc gọi đơn mode Trong sợi truyền mode sóng nên độ tán sắc nhiều đờng truyền không sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc 9m 125 m n1 0,3% n2 Hình 2.6 Sợi đơn mode SVTH: Nguyễn Thị Thuỷ GVHD: Nguyễn Bích Huyền Đồ án tốt nghiệp : Công nghệ thông tin quang Các thông số sợi đơn mode thông dụng là: Đờng kính lâi: d = 2a =9m  10m §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125m §é lƯch chiÕt st:  = 0,003 = 0,3% ChiÕt suÊt lâi: n1 = 1,46 Độ tán sắc sợi đơn mode nhỏ, ®Ỉc biƯt ë bíc sãng  = 1300 nm ®é tán sắc sợi đơn mode thấp ( ~ 0) Do dải thông sợi đơn mode rộng Song kích thớc lõi sợi đơn mode nhỏ nên đòi hỏi kích thớc linh kiện quang phải tơng đơng thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ xác cao Các yêu cầu ngày đáp ứng đợc sợi đơn mode đợc sư dơng rÊt phỉ biÕn *** SVTH: Ngun ThÞ Thủ GVHD: Ngun BÝch Hun