Tong quan ve he thong thong tin quang 1 171846

Báo cáo thực tập lời nói đầu Cùng với phát triển mặt kinh tế xà hội, nhu cầu vui chơi giải trí ngời tăng lên nhanh không ngừng số lọng chất lợng Hoà vào xu đó, dịch vụ viễn thông không ngừng phát triển nhằm thoả mÃn nhu cầu ngời, đặc biệt ngời kỷ nguyên thông tin Để tạo đợc sở hạ tầng tốt làm tảng để phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn ngày đợc cải tiến nâng cao chất lợng Từ đời cáp quang đà thể môi trờng truyền dẫn lý tởng với băng thông gần nh vô hạn nhiều u điểm khác Các hệ thống truyền dẫn khai thác phần nhỏ băng thông sợi quang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn cách tăng tốc độ tín hiệu điện gặp nhiều khó khăn, nhà khoa học đà tìm cách nâng cao tốc độ tuyến cách tăng tốc độ tín hiệu quang Trong khuôn khổ báo cáo thực tập với mong mn giíi thiƯu tỉng quan cđa th«ng tin quang bao gåm ch¬ng sau: Ch¬ngI: Tỉng quan vỊ hƯ thống thông tin quang ChơngII: Sợi quang truyền ánh sáng sợi quang ChơngIII: Cáp quang Chơng IV: Phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện Với nội dung luận văn góp phần nhỏ lĩnh vực nghiên cứu phát triển sợi quang Sau em xin trân trọng gửi tới thầy giáo hớng dẫn Nguyễn Nh Nguyên lòng biết ơn sâu sắc dẫn chu đáo, tận tình trình thực báo cáo thực tập Chơng I: Tổng quan hệ thống thông tin quang Báo cáo thực tập I Giới thiệu thông tin quang Khái quát chung Thông tin quang có tổ chức hệ thống tơng tự hệ thống thông tin khác thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thông tin chung Đây nguyên lý mà loài ngời đà sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền đợc phát vào môi trờng truyền dẫn tơng ứng, đầu thu thu lại tín hiệu cầu truyền Đối với hệ thống thông tin quang môi trờng truyền dẫn sợi dẫn quang ,nã thùc hiƯn trun ¸nh s¸ng mang tÝn hiƯu thông tia từ phía phát tới phía thu Vào năm 1960, việc phát minh Laserddeer làm nguồn phát quang ®x më mét thêi kú míi cã ý nghÜa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng Theo lý thuyết cho phép thực thông tin với lợng kênh lớn vợt nhiều lần hệ thống Viba có Hàng loạt thực nghiệm thông tin bầu khí đợc tiến hành sau Một số kết thu đợc nhng tiếc chi phí tốn kém, kinh phí tập trung vào sản xuất thiết bị để vợt qua đợc cản trở điều kiện thời tiết (ma, tuyết ) gây lớn, vậu cha thu hút đợc ý mạng lới Một hớng nghiên cứu khác thời gian đà tạo đợc hệ thống thông tin đáng tin cậy hớng thông tin khí phát minh sợi quang Các sợi dẫn quang lần đợc chế tạo suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đà tạo đợc mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt khả thi Tiếp theo KAO,Hockman Werts năm 1966đà nhận thấy suy hao cua sợi quang tạp chất có vật liệu chế tạo Những nhận định đà đợc sáng tỏ Kapron,Keck Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970 Suy hao cho phép tạo cự ly truyền dẫn tơng đơng với hệ thống truyền dẫn cáp đồng Với cố gắng sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lợt đời Đầu năm 1980, hệ thống thông tin sợi dẫn quang đà đợc phổ biến rộng với vùng bớc sóng làm việc 1300nm Và sợi dẫn quang đà đạt tới mức suy hao nhỏ khoảng 0,154ds/Km bớc sóng dài 1550nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang Báo cáo thực tập hai thập niên qua Giá trị suy hao đà gần đạt tới mức tính toán lý thuyết cho sợi quang đơn mốt 0,14ds/Km Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo nguồn phát thu quang đà tạo hệ thống thông tin quang với u điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin kim loại là: - Suy hao truyền dẫn - Băng tần truyền dẫn lớn - Không bị ảnh hởng nhiều điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin - Có kích thớc trọng lợng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy linh hoạt - Sợi đợc chế tạo từ vật liệu thông thờng Do u điểm mà hệ thống thông tin quang đợc áp dụng rộng rải mạng lới Chúng xây dựng làm tuyến đờng trục trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trờng lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị xuyên lục địa, vợt đại dơng Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ Nhật Bản Ngoài luồng tốc độ có tiêu chuẩn phát triển năm gần gọi SONET (Sunchronceus optical Network), tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn khác, xác định cấu trúc khung đồng để gửi lu lợng ghép kênh số sợi quang Hiện hệ thống thông tin quang đà đợc ứng dụng rộng rÃi giới, chúng đáp ứng đợc tín hiệu tơng tự (Analog) số (diegital), chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng nhu cầu mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN) Số lợng cáp quang đợc lắp đặt giới với số lợng lớn, đủ tốc độ truyền dẫn với cự ly khác nhau, cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nớc lấy cáp quang làm môi trờng truyền dẫn cho mạng viễn thông Các hệ thống thông tin quang mũi đột Báo cáo thực tập phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Bảng 1-1: Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu Nhật Bản Phân cấp Khối Bắc Mỹ Khối Châu Âu Nhật Bản Tốc độ bit Số kênh Tốc độ Số Tốc độ bit Số kênh Mbit/s thoại bit Mbit/s kênh Mbit/s thoại thoại 1,544 24 2,048 30 1,544 24 6,312 96 8,448 120 6,312 96 44,736 672 34,368 480 32,064 480 274,176 4032 139,264 1920 97,728 1440 274,176 4032 565,184 7680 396,200 5760 Bảng 1-2: Các mức phân cấp tín hiệu SONET Mức OC - OC - OC - OC-12 CO-18 OC-24 OC-36 OC-48 Tèc ®é 51,84 155,52 466,56 622,08 933,12 1244,16 1866,24 2488,32 trun Mbit/s 2.CÊu tróc vµ thµnh phần tuyến truyền dẫn quang Nhìn chung, hệ thống thông tin quang thờng phù hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu số hầu hết trình phát triển hệ thống thông tin quang ®i theo híng nµy Theo quan niƯm thèng nhÊt ®ã, ta xét cấu trúc tuyến thông tin gồm thành phần sau: - Phần phát quang - Cáp sợi quang - Phần thu quang Báo cáo thực tập Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp quang bao gồm sợi dẫn quang lớp bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trờng bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang có nối quang Counetor, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp Tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Nguồn phát quang Bộ nối quang Mối hàn sợi Sợi dẫn quang Trạm lặp Bộ chia quang Thu quang Mạch điện Các thiết bị khác Phát quang Bộ thu quang Khuếch đại quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Tín hiệu điện Khuếch đại Hình 1-1: Tổng quát hệ thống thông tin quang Trạm lặp có cấu trúc gồm có thiết bị phát thiết bị thu ghép quay phần điện vào Thiết bị thu trạm lặp thu tin hiệu quang yếu tiến hành biến đổi Báo cáo thực tập thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu sửa dạng đa vào đầu vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang lại phát tiếp vào đờng truyền Những năm gần đâycác khuyếch đại quang đà đợc sử dụng để thay cho thiết bị trạm lặp quang II Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang 1.Các chức năng: Phần điện tử Nguồn tín hiệu a) Nguồn tín hiệu b) Điều biến A Kênh truyền dẫn C Biến đổi điện quang E/O Phần điện tử A D B Biến đổi điện quang O/E Sợi quang SQ D C Phần điện tử Giải điều Phần ®iƯn tư B TÝn hiƯu thu TÝn hiƯu thu H×nh 1-2: Tổng quát hệ thống thông tin điện (a) quang(b) Nguồn tín hiệu thông tin nh nhau,đều dạng thông tin thông thờng nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn Phần điện tử: phần chung hai hệ thống, để xử lý nguồn tin, tạo tín hiệu điện đa vào hệ thống truyền dẫn, tín hiệu analog digital (điểm A) Bé biÕn ®ỉi ®iƯn quang E/O ®Ĩ thùc hiƯn ®iỊu biến tín hiệu điện vào c ờng độ xạ quang phát Cũng nh thông tin điện với nhiều phơng thức điều biến khác nhau, thông tin quang có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu điện vào xạ quang Các hệ thống làm việc theo nguyên lí điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, hệ thống coherence tơng lai áp nguyên lý điều biến gián tiếp cách điều pha điều tần tia xạ coherence xạ kết hợp Tín hiệu phải (điểm c) tín hiệu quang, khác với tín hiệu C, tín hiệu cao tần đợc điều biến biên độ pha tần số Sợi quang SQ để truyền dẫn ánh sáng nguồn xạ (E/O) đà điều biến, vai trò nh kênh truyền dẫn Báo cáo thực tập Bộ biến đổi quang điện (O/E) thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu phát Tín hiệu vào hai (điểm D) khác dạng (điện quang) nhng tín hiệu chúng (điểm B) tín hiệu điện giống để đa vào phần điện tử, tách tín hiệu thu giống tín hiệu phát nguồn tin ban đầu Tải tin: Trong hệ thống điện tải tin sóng điện từ cao tần, hệ thống quang ánh sáng sóng ®iƯn tõ song cã tÇn sè rÊt cao (10141015) tải tin quang thuận lợi cho tải tín hiệu băng rộng Vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Tín hiệu truyền đa đờng truyền bị tiêu hao, nên sau khoảng cách định phải có trạm lặp khuyếch đại (tín hiệu analog) tái sinh tÝn hiÖu (tÝn hiÖu digital) HiÖn cha thùc đợc khuyếch đại tái sinh tín hiệu quang, nên trạm khuyếch đại trung gian trạm lặp phải thực ba bớc sau: - Chuyển ®ỉi tõ tÝn hiƯu quang sang tÝn hiƯu ®iƯn - Sửa đổi dạng tín hiệu đà bị méo tái sinh tín hiệu dới dạng điện - Chuyển đổi tín hiệu điện đà đợc khuyếch đại tái sinh thành tín hiệu quang để tiếp tục phát Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn hệ thống đợc đánh giá qua hai đại lợng: - Độ rộng băng tần truyền dẫn đợc - Cự li trạm lặp độ dài đoạn chuyển tiếp Xu hệ thống truyền dẫn quang truyền dẫn dải rộng cự li trạm lặp lớn Thực tế hệ thống quang đà vợt qua hệ thống truyền dẫn điện hai yêu cầu Các đại lợng đợc xác định nhiều yếu tố liên quan đến nh sau: - Tiêu hao tán xạ truyền dẫn sợi quang - Công suất xạ khả điều biến linh kiện phát quang - Độ nhạy máy thu quang - Tiêu hao phụ sử lí phần tử toàn tuyến Báo cáo thực tập Ưu điểm nhợc điểm hệ thống thông tin quang a Ưu điểm: Sợi quang nhỏ nhẹ kim loại, đờng kính mẫu sợi quang 0,1 mm, nhỏ nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm Sợi cáp nhỏ sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong Chi phí vật liệu cáp ít, cáp lại đợc lắp đặt thuận tiện, tay Cáp quang cho phép tăng đợc nhiều kênh truyền dẫn mà tăng đờng kính cáp Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh môi trờng trung tính với ảnh hởng nớc, axít, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, lớp vỏ bảo vệ bên có bị h hỏng nhng sợi thuỷ tinh tốt bảo đảm truyền tin tốt Sợi thuỷ tinh sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập mạch Tín hiệu truyền sợi quang không bị ảnh hởng điện từ trờng ngoài, nên sử dụng sợi hệ thống thông tin nơi có nhiễu điện từ trờng mạnh nh nhà máy, nhà máy điện mà không cần che chắn ảnh hởng điện từ Cũng nhẹ không bị ảnh hởng điện từ nên sợi quang đợc sử dụng nhiều máy bay, tàu thuỷ, công nghiệp để truyền số liệu Không gây nhiễu bên không gây xuyên âm sợi quang, đảm bảo không bị nghe trộm Vì sợi quang sợi điện môi, nên đầu vào đầu hệ thống hoàn toàn cách điện mạch vòng chảy qua đất Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu tiêu hao nhỏ dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền đợc tốc độ lớn cáp kim loại chi phí xây dựng mạng.Trong tơng lai làm cáp thuê bao cho dịch vụ dải rộng phù hợp 10 Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn cáp kim loại nhiều b Nhợc điểm: Báo cáo thực tập Do lu lợng thông tin đòi hỏi ngày lớn, dung lợng tuyến ngày đợc nâng cao đến lúc vợt khả thiết bị truyền dẫn Nhất tuyến cáp quang, trục cáp quang có dung lợng tuyến tăng nhanh Để nâng cao khả tuyến thông tin nhà điều hành mạng phải lựa chọn: Xây dựng thêm tuyến truyền dẫn quang Nâng cấp đờng tuyến phơng pháp ghép kênh theo thời gian Nâng cấp đờng truyền phơng pháp ghép kênh theo bớc sóng Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo linh kiện tinh vi đòi hỏi độ xác tuyệt đối đặc việc hàn nối sợi quang phức tạp Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian khó không lợi dụng đợc đờng truyền nh hệ thống thông tin điện(ví dụ nh việc cấp nguồn điện cho trạm lọc biển) Chơng II: Sợi quang truyền ánh sáng sợi quang Bản chất ánh sáng Bản chất ánh sáng coi chùm phần tử lại nhỏ bé đợc phát từ nguồn sáng Các phần tử đợc hình dung nh theo đờng thẳng thâm nhập vào môi trờng suốt nhng lại bị phản xạ gặp môi trờng đục Quan điểm đà mô tả đầy đủ hiệu ứng quang học phạm vi riêng ví dụ nh tợng phản xạ khúc xạ ánh sáng, nhng lại không dùng thuyết để giải thích tợng nhiễu xạ giao thoa Vào năm 1864, Maxwell đà chứng minh lý thuyết chất sóng ánh sáng sóng điện từ Hơn quan sát hiệu ứng phân cực ngời ta thấy chuyển động sóng vuông góc với hớng sóng đi, điều nói lên sóng ¸nh s¸ng lµ sãng ngang B¸o c¸o thùc tËp Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng chủ yếu dựa vào tợng phản xạ toàn phần tia sáng mặt phân cách hai môi trờng từ môi trờng đặc hoá sang môi trờng loÃng P P (1) (2) n2 n2 n1 n1 T Vùng phản xạ toàn phần Cho tia sáng từ môi trờng cã chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng cã chiÕt suÊt n2 (n2 < n1); Tia tới 91) hợp với pháp tuyến P mặt phân cách hai môi trờng góc tới Khi sang môi trờng thứ hai, tia sáng bị khúc xạ hợp với pháp tuyến P góc khúc xạ đại lợng tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1 sin = sin øng víi gãc tíi h¹n T góc khúc xạ n2 n1 Vậy điều kiện để xây phản xạ toàn phần là: tia sáng phải từ môi tr = 900 lúc sinT = ờng chiết suất lớn sang môi trờng chiết suất nhỏ góc tới tia sáng phải lớn góc tới hạn Cấu trúc sợi dẫn quang mode truyền dẫn Để đảm bảo lan truyền ánh sáng sợi trớc hết cấu trúc phải ống dẫn nóng hoạt động dải tần quang, có dạng hình trụ lµm b»ng vËt liƯu thđy tin cã chØ sè chiÕt st n1 lín vµ bao quanh lâi lµ mét líp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với