Thiết kế tuyến thông tin quang tốt ngiệp thông tin quang

Thiết kế tuyến thông tin quang phần I sở thông tin quang giới thiệu tổng quan : Lịch sử phát triển Trong tiến trình lịch sử phát triển nhân loại việc trao đổi thông tin ngời với ngời đà trở thành nhu cầu quan trọng ,một yếu tố định góp phần thúc đẩy lớn mạnh tiến quốc gia ,cũng nh văn minh nhân loại Cùng với phát triển hệ thống thông tin hữu tuyến vô tuyến sử dụng môi trờng truyền dẫn dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) không gian.Thì việc sử dụng ánh sáng nh phơng tiện trao đổi thông tin đợc khai thác có hiệu Cùng với thời gian thông tin quang đà phát triển ngày hoàn thiện với mốc lịch sử nh sau: -1790 : Clau de Chappe , kĩ s ngời Pháp ,đà xây dựng hệ thống điện báo gồm chuỗi tháp với đèn báo hiêu Tin tức vợt qua chặng đờng 200km vòng 15 phút -1870 : John Tyndall nhà vật lý ngời Anh đà chứng tỏ ánh sáng dẫn đợc theo vòi nớc uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Điều đợc áp dụng thông tin quang -1880 : Alexander Graham Bell , ngêi Mü giíi thiƯu hƯ thèng th«ng tin Photophone TiÕng nãi đợc truyền ánh sáng môi trờng không khí Nhng cha đợc áp dụng thực tế nhiều nguồn nhiễu - 1934: Norman R.French, ngời Mỹ , nhận sáng chế hệ thống thông tin quang Sử dụng thuỷ tinh để truyền dẫn - 1958: Arthur Schawlour Charles H Tounes, xây dựng phát triển - 1960: Theodor H Maiman đa laser vào hoạt động - 1962: Laser bán dẫn Photodiode bán dẫn đợc thừa nhận - 1966: Charles H Kao vµ Georce A Hoc kham, hai kÜ s phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng - 1970: HÃng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ 20 [dB/km] bíc sãng 1310nm ThiÕt kÕ tun th«ng tin quang - 1972: Loại sợi GI đợc chế tạo với độ suy hao [dB/km] - 1983: Sợi đơn mode(SM) đợc xuất xởng Mỹ Ngày loại sợi đơn mode ®ỵc sư dơng réng r·i víi ®é suy hao chØ khoảng 0,2 [dB/km] bớc sóng 1550nm Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản: Trạm lặp Nguôn tín hiệu Phần tử điện E O O E E O Biến đổi - Theo sơđiện-quang đồ hệ thống ta có: Sợi quang O Phần tử điện E Biến đổi sợi quang - Nguồn tín hiệu hình ¶nh , tiÕng nãi , fax - PhÇn tư ®iƯn xư lý ngn tin t¹o tÝn hiƯu ®a vào hệ thống truyền dẫn - Bộ biến đổi E/O cã nhiƯm vơ biÕn ®ỉi tÝn hiƯu tõ tÝn hiƯu điện thành tín hiệu quang với mức tín hiệu điện đợc biến đổi thành cờng độ quang , tín hiệu điện 0và 1đợc biến đổi ánh sáng tơng ứng dạng không có Sau tín hiệu quang đợc đa vào sợi quang truyền Bộ biến đổi điện quang thực chất linh kiện phát quang nh LED,Laser diode - Trạm lặp : Khi truyền dẫn tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rộng xung) bị giÃn nhiều nguyên nhân khác Vì vậy, để truyền đ ợc xa cần có trạm lặp Trạm lặp có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu nguồn phát khuyếch đại tín hiệu Sau đa vào tuyến truyền dẫn Trạm lặp cần thiết khoảng cách truyền dẫn lớn Ưu ®iĨm cđa th«ng tin quang So víi hƯ thèng th«ng tin điện tử hệ thống thông tin quang có u điểm u điểm nh sau: + Suy hao truyền dẫn thấp dẫn tới giảm đợc trạm lặp , kéo dài đợc cù ly trun dÉn ThiÕt kÕ tun th«ng tin quang + Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng đợc thuê bao dịch vụ dải rộng + Sợi quang đợc chế tạo từ nguyên liệu thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu dồi rẻ tiền Sợi có đờng kính nhỏ, trọng lợng nhỏ, xuyên âm dễ lắp đặt uốn cong + Dùng cáp sợi quang rÊt kinh tÕ c¶ viƯc s¶n xt cịng nh lắp đặt bảo dỡng Không bị ảnh hởng nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy Không chịu ảnh hởng nhiễu từ trờng bên (nh sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hởng cáp điện cao ) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm + Một cáp sợi quang có kích cỡ với cáp kim loại chứa đ ợc số lợng lớn lõi sợi quang lớn số lợng kim loại Chính có u điểm mà hệ thống thông tin quang đợc sử dụng rộng rÃi mạng lới viễn thông nhiều quốc gia Chúng đợc xây dựng làm tuyến đờng trục, trung kế, liên tỉnh Tại Việt Nam cáp quang đà lắp đặt với tuyến truyền dẫn đờng dài liên tỉnh dùng cáp ngầm tốc độ Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá , cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao mạng lới viễn thông Sợi quang ứng dụng u điểm sợi quang Những ứng dụng sợi quang * Sợi quang đợc ứng dụng thông tin số mục đích khác * Vị trí sợi quang mạng thông tin giai đoạn nay: Thiết kế tuyến thông tin quang - Mạng đờng trục xuyên quốc gia - Đờng trung kế - Đờng cáp thả biển liên quốc gia - Đờng truyền số liệu - Mạng truyền hình 2.Ưu điểm thông tin sợi quang So với dây kim loại sợi quang có nhiều u điểm đáng chó ý lµ: - Suy hao thÊp: cho phÐp kÐo dài khoảng cách tiếp vận giảm đợc số trạm tiếp vận - Dải thông rộng: thiÕt lËp hƯ thèng trun dÉn sè tèc ®é cao - Trọng lợng nhẹ, kích thớc nhỏ - Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hởng sấm sét - 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 Lý thuyết chung sợi dẫn quang 1.1 Cơ sở quang học: ánh sáng dùng thông tin quang n»m ë vïng cËn hång ngo¹i víi bíc sãng tõ 800 nm đến 1600 nm Đặc biệt có bớc sóng thông dụng 850 nm, 1300 nm, 1550 nm Chiết suất môi trờng: Trong : n  C V n: chiÕt st cđa m«i trêng Thiết kế tuyến thông tin quang C: vận tốc ánh sáng chân không(C = 108m/s) V: vận tốc ánh sáng môi trờng Vì V C nên n Sự phản xạ toàn phần: Định luật Snell : n1 sin = n2 sin 1’ tia khóc xạ n2 n1 Mặt ngăn cách T 3 tia phản xạ tia tới n1 n2 tăng Pháp tuyến 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 : sin T n2 n1 1.2 Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang:  Nguyªn lý trun dÉn chung: øng dơng hiƯn tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gåm mét lâi (core) b»ng thuû tinh cã chiÕt suÊt n1 vµ mét líp bäc (cladding) b»ng thủ tinh cã chiÕt st n víi n1  n2 ¸nh s¸ng truyền lõi sợi quang phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) mặt tiếp giáp lõi lớp vỏ bọc Do ánh sáng truyền đ ợc sợi có cự ly dài sợi bị uốn cong với độ cong cã giíi h¹n n2 n2 n n1 n1 ThiÕt kế tuyến thông tin quang 1.3 Các dạng phân bố chiÕt st sỵi quang:  Sỵi quang cã chiÕt 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 n1 n n1 n C¸c tia s¸ng trun lâi víi vận tốc: 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 truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài đợc Nhợc điểm khắc phục đợc loại sợi có chiết suất giảm dần 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 Đờng truyền tia sáng sợi GI không nhng vận tốc truyền thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đờng truyền 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 đờng parabol đờng tia sáng có dạng hình sin thời gian truyền tia Độ tán sắc sợi GI nhỏ nhiều so với sợi SI Các dạng chiết suất khác: Hai dạng chiết suất SI GI đợc dùng phổ biến , có số dạng chiết suất khác nhằm đấp ứng yêu cầu đặc biệt: Thiết kế tuyến thông tin quang a 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 chiÕt suÊt  nhng cã chiÕt suÊt lâi n1 kh«ng cao b 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: c) 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: Dạng chiết suất phức tạp nên đợc nghiên cứu phòng thí nghiệm cha đa thực tế 1.4 Sợi đa mode đơn mode: 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 suất: = 0,01 = 1% - ChiÕt st lín nhÊt cđa lâi: n1 1,46 Sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc chiết suất giảm dần Thiết kế tuyến thông tin quang 50m 50m n1 n2 125m 125m n1  Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ): n2 n1 n2  n1  n2 1% n1 Sỵi chØ SI - có MMSợi - MMsóng truyền đợc sợi Khi giảm kích thớc lõi sợi để mộtGI mode sợi đợc gọi đơn mode Trong sợi truyền mode sóng nên độ tán sắc nhiều đờng truyền không sợi đơn mode có dạng phân bè chiÕt suÊt nh¶y bËc 9m 125m n1 n2 =0,3% Các thông số sợi đơn mode thông dụng là: §êng kÝnh lâi: d = 2a =9m  10m §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125m §é lƯch chiÕt suÊt:  = 0,003 = 0,3% ChiÕt suÊt lâi: n1 = 1,46 Độ tán sắc sợi đơn mode nhỏ, đặc biệt bớc sóng = 1300 nm độ 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 ®ang ®ỵc sư dơng rÊt phỉ biÕn ThiÕt kÕ tuyến thông tin quang Chơng II thông số sợi quang 2.1 Suy hao sợi quang: Công suất sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tơng tự nh tín hiệu điện Biểu thức tổng quát hàm số truyền công suất có dạng: P ( z )  P0 10   10 z Trong ®ã: P0 : công suất đầu sợi (z = 0) P(z): công suất cự ly z tính từ đầu sỵi : hƯ sè suy hao P1=P0 P2=P(L) Z L Độ suy hao đợc tính bởi: ( dB ) 10 lg P1 P2 Trong ®ã : P1 = P0 : công suất đa vào đầu sợi P2 = P(L) : công suất cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: (dB / Km) Trong đó: A: suy hao sợi L: chiều dài sợi ( dB) L( Km) Thiết kế tuyến thông tin quang 2.2 Các nguyên nhân gây suy hao sợi quang: Công suất truyền sợi bị thất thoát hấp thụ vật liệu, tán xạ ánh sáng khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong Suy hao hÊp thơ: - Sù hÊp thơ cđa c¸c chất kim loại: Các tạp chất thuỷ tinh nguồn hấp thụ ánh sáng Các tạp chất thờng gặp Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v Møc ®é hÊp thơ tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất bớc sóng ánh sáng truyền qua Để có sợi quang có độ suy hao dới 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không phần tỷ (10-9) - Sự hấp thụ OH: Sự có mặt ion OH sợi quang tạo độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt bớc sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Nh độ ẩm nhng nguyên nhân gây suy hao sợi quang Trong trình chế tạo nồng độ ion OH lõi sợi đợc giữ mức dới phần tỷ (10-9) để giảm độ hấp thụ - Sự hấp thụ cực tím hồng ngoại: Ngay sợi quang đợc từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao hấp thụ sảy Bản thân thuỷ tinh tinh khiÕt cịng hÊp thơ ¸nh s¸ng vïng cực tím vùng hồng ngoại độ hấp thụ thay đổi theo bớc sóng Suy hao tán xạ: - Tán xạ Raylegh: Nói chung sóng điện từ truyền môi trờng điện môi gặp chỗ không đồng xảy tợng tán xạ Các tia sáng truyền qua chỗ không đồng toả nhiều hớng, phần lợng ánh sáng tiếp tục truyền theo hớng cũ phần lại truyền theo hớng khác chí truyền ngợc phía nguồn quang - Tán xạ mặt phân cách lõi lớp vỏ bọc không hoàn hảo: Khi tia sáng truyền đến chỗ không hoàn hảo lõi lớp bọc tia sáng bị tán xạ Lúc tia tới có nhiều tia phản xạ với góc phản xạ khác nhau, tia có góc phản xạ nhỏ góc tới hạn khúc xạ lớp vỏ bọc bị suy hao dần Đặc tuyến suy hao: (m)