Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG .2 1.1 Hệ thống thông tin sợi quang 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin .5 1.1.3 Đặc điểm thông tin quang 1.1.4 Ưu điểm linh kiện thu phát quang: 1.2 Các đặc diểm ánh sáng 1.2.1 Phổ sóng điện từ 1.2.2 Chiết suất môi trường .10 1.2.3 Ba đặc điểm ánh sáng: .11 CHƯƠNG 2: TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 15 2.1 Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang 15 2.1.1 Sợi quang 15 2.1.2 Nguyên lý truyền dẫn chung: 15 2.1.3 Suy hao sợi quang 24 2.2 Đặc tính tán sắc sợi quang 29 2.3 Ảnh hưởng tán sắc đến tốc độ độ rộng băng tần 35 CHƯƠNG 3: CÁC LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 37 Biến đổi điện quang (E/O) 37 1.1 Điốt LED: 37 1.2 Điot Laser (LD): 38 Bộ biến đổi quang điện (Điốt thu quang) 40 2.1 Điôt Pin: .41 2.2 Điôt quang thác APD: 42 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TRUYỀN CÁP QUANG TRUNG KẾ ĐƯỜNG DÀI 45 Thế tuyến tính trung kế đường dài 45 Các loại cáp cầu trúc cáp 45 Các hệ thống truyền dẫn 45 Cấu hình mạng truyền dẫn 47 SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thơng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Nhóm kênh 48 Tính tốn số lượng sợi cáp quang .49 Lập kế hoạch tuyến 49 Thiết kế khoảng cách lặp 50 Khảo sát trường 51 10 Cắt cáp .52 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ TRUYỀN DẪN QUANG SDH .54 I Khái niệm SDH 54 1) Ghép kênh SDH 54 2) Cấp truyền dẫn SDH 56 II) Cấu trúc khung truyền dẫn SDH .57 1) Khung truyền dẫn SDH 57 2) Cấu trúc khối 59 CHƯƠNG : TỔ CHỨC MẠNG SDH TRỤC BẮC- NAM THIẾT BỊ ADM CHUYÊN DỤNG VÀ QUẢN LÝ MẠNG VIỄN THÔNG 77 I Các cấu hình mạng 77 Các thiết bị SDH 77 Bộ ghép kênh đồng 78 Cấu hình đường .80 So sánh mạng vòng Hub 83 Cấu hình "nút" .84 II Bộ đồng mạng 86 1) Giới thiệu đồng mạng 86 2) Cấu trúc phân cấp hệ thống đồng mạng 88 III Quản lý mạng thông tin quang SDH mạng viễn thông .90 1) Mục đích hệ thống quản lý mạng: 90 2) Các đường quản lý vật lý 91 3) Phân cấp hệ thống quản lý 92 4) Hệ thống quản lý mạng (NMS - Network management System) 93 5) Quản lý mạng viễn thông( TMN - TElecom Management Nerwork), 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thơng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, hệ thống thông tin quang phát triển mạnh mẽ hết, đáp ứng phần bùng nổ thơng tin tồn giới Các mạng thơng tin điện đại có cấu trúc điển hình gồm nút mạng tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn khác cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh Nhu cầu thơng tin ngày tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, song hệ thống truyền dẫn kể không tổ chức luồng kênh cực lớn Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta tạo hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s Một số nước giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang chiếm 70%-80% toàn hệ thống truyền dẫn Xu hướng ngành Viễn thơng giới có Việt Nam cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, đường truyền dẫn quốc tế Đối với Việt Nam chúng ta, với sách tắt, đón đầu tiếp thu công nghệ đại, năm qua, Tập đồn VNPT hồn thành hố mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring Và giai đoạn ngành chủ trương cáp quang hố mạng thơng tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… ưu điểm siêu việt cáp sợi quang tốc độ,khả nâng cấp đặc biệt giá thành rẻ thay cho thiết bị khác có cáp đồng giá thành đắt Do thời gian có hạn với lĩnh vực có khối lượng kiến thức lớn, khả cịn hạn chế,kiến thức thực tế ỏi, nên đồ án không tránh khỏi sai sót khiếm khuyết định Vậy em mong muốn nhận góp ý thầy bạn bè để hồn thiện kiến thức Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Hữu Thanh suốt trình hồn thiện đồ án, Sinh viên Phạm Đình Khánh SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thơng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG 1.1 Hệ thống thông tin sợi quang 1.1.1 Lịch sử phát triển Trải qua thời gian dài từ người sử dụng ánh sáng lửa để làm phương tiện thông tin đến nay, lịch sử thông tin quang trải qua bước phát triển hoàn thiện nghi nhận qua mốc thời gian sau: - Năm 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo tín hiệu di động đó, hệ thống vượt chặng đường 200km vòng 15 phút - Năm 1880 ALAXANAER GRAMAM BELL người Mỹ, giới thiệu hệ thống photo phone, qua tiếng nói truyền ánh sáng mơi trường khơng khí mà khơng cần dây, nhiên hệ thống chưa áp dụng thực tế có q nhiều nguồn nhiễu làm giảm tín hiệu đường truyền - Năm 1934 NORMAN R.FRENCH kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn ông ống thuỷ tinh - Năm 1958 ARTHUR SEHAWLOW CHARLESH TOWNES xây dựng phát triển laer - Năm 1960 THECDOR H.MAMAN đưa lazer vào hoạt động thành công - Năm 1962 lazer bán dẫn photodiode bán dẫn thừ nhận - Năm 1966 CHARLES H.KAO GEORGEA HOCKAM hai kỹ sư phịng thí nghiệm Standard telecom munication nước Anh đề xuất việc dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng Nhưng công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời kỳ hạn chế nên suy hao lớn SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp - Năm 1970 hãng GLASS WORK chế tạo thành cơng loại sợi có suy hao nhỏ 20dB bước sang 633 nm - Năm 1972 loại sợi GI chế tạo với độ suy hao 4db/km - Năm 1983 sợi đơn mode xuất xưởng Mỹ Ngày loại sợi đơn mode sử dụng rộng rãi độ suy hao loại sợi cịn khồng 0,2db/km bước sóng 1550nm Thơng tin quang có tổ chức hệ thống tương tự hệ thống thông tin khác Thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thông tin chung Hệ thống loài người sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thơng tin Nơi tín hiệu Thiết bị phát Mơi trường truyền dẫn Thiết bị phát Nơi tín hiệu đến Phía thu tín hiệu Phía phát tín hiệu Hình 1.1 Các thành phần Trong sơ đồ tín hiệu cần truyền phát vào mơi trường truyền dẫn tương ứng, đầu thu thu lại tín hiệu cần truyền Như tín hiệu thơng tin từ nơi giữ tín hiệu, tới nơi nhận tín hiệu đến Đối với hệ thống thông tin quang môi trường truyền dẫn sợi quang, thực truyền sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu Cùng với cơng nghệ chế tạo nguồn phát thu quang, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hẳn hệ thống thông tin cáp kim loại SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thơng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Sợi cáp quang có đặc điểm sau: Suy hao cáp quang thấp so với cáp song hành kim loại cáp đồng trục Độ rộng băng: Cáp sợi quang truyền tải tín hiệu có tần số cao nhiều so với cáp đồng trục hình 1.2 mức độ khác tuỳ thuộc vào loại sợi quang Đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ: cáp sợi quang nhỏ kích thước, nhẹ trọng lượng so với cáp đồng Một sợi cáp quang có đường kính với cáp kim loại chứa số lượng lớn lõi sợi quang số lượng lõi kim loại kích cỡ Các đặc điểm có ưu điểm lớn lắp đặt cáp Đặc tính cách điện: thuỷ tinh không cách điện không dẫn điện, cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng điện từ trường bên ngồi (cáp điện cao thế, sóng vơ tuyến truyền hình v.v…) đặc tính có ưu lớn số ứng dụng cụ thể Tiết kiệm tài nguyên: thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu dồi nữa, số lượng nhỏ nguyên liệu sản xuất đoạn cáp quang dài Có tính bảo mật ín hiệu thông tin Từ ưu điểm mà hệ thống thông tin quang áp dung rộng rãi mạng lưới Có thể xây dựng làm tuyến đường trục chính, trung kế, liên tỉnh, thuê bao khoảng cách xa mà cáp đồng bị suy hao không đáp ứng được, hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số Hiện hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu mạng số liên kết đa dich vụ Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thơng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin   Tổng đài  EX   PDH Sợi quang E/ O Trạm lặp O/E > E/O Tổng đài Sợi quang O/E SDH PDH  EX SDH Hệ thống thông tin truyền dẫn cáp sợi quang   Hình 1.2 : Cấu hình hệ thống thơng tin sợi quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối số liệu Fax, số liệu data… đưa đến biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang qua biến đổi quang (invecter quang) Và sau gửi vào cáp quang để thực truyền dẫn Ở đầu bên thu biến đổi ngược lại, từ tín hiệu quang chuyển lại sang tín hiệu điện để đưa tới thiết bị đầu cuối Bộ biến đổi quang điện thực chất linh kiện phát quang Laser diodes biến đổi quang điện Photodiode Khi khoảng cách truyền dẫn lớn(quá xa) cần thiết cần có trạm lặp Các trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện để khuyếch đại phát chuyển tiếp * Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang: Các thành phần tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát gồm có sợi dẫn quang lớp bọc xung quanh tách sóng quang mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngồi thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang cịn có phận nối quang Connector, mối hàn, nối SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp quang, chia quang trạm lặp; tất tạo nên tuyến thông tin quang hồn chỉnh Hình 1.3: Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Tín hiệu điện vào Mối hàn sợi Nguồn phát quang Trạm lặp Sợi dẫn quang Mạch điều khiển Bộ chia quang Thu quang Các thiết bị khác Mạch điện Phát quang Bộ thu quang Khuyếch đại quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Tín hiệu điện Khuyếch đại 1.1.3 Đặc điểm thơng tin quang Hệ thống thơng tin quang có số ưu điểm so với hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển cho sử dụng đặc tính sợi quang, linh kiện thu quang, phát quang Sợi cáp quang có đặc điểm chủ yếu sau: SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp + Sợi quang nhỏ nhẹ cáp song hành kim loại cáp đồng trục, đường kính mẫu sợi quang 100m nhỏ sợi cáp đồng tục (cáp đồng trục có đường kính 10 mm) + Suy hao thấp so với cáp song hành kim loại cáp đồng trục + Độ rộng băng tần cáp sợi quang truyền tải tín hiệu tần số cao nhiều so với cáp đồng trục Mức độ khác tùy thuộc vào loại sợi cáp quang + Đặc tính cách điện: Bởi thủy tinh khơng dẫn điện, cáp quang không chịu ảnh hưởng điện trường bên ngồi (cáp điện cao sóng vơ tuyến cáp truyền hình v.v ) đặc tính có ưu điểm lớn số ứng dụng cụ thể + Tiết kiệm tài nguyên: Thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu dồi Hơn nữa, số lượng nhỏ nguyên liệu sản xuất đoạn cáp quang dài + Vì có suy hao nhỏ cho phép đạt cự ly khoảng cách lớn cáp kim loại nhiều + Có giá thành rẻ so với cáp đồng Suy hao (dB/Km) 50 Cáp song hành Cáp kim loại Cáp đồng trục 20 10 1 Sợi quang đa Mode chiết suất bậc (2,6,6,5mm) Cáp sợi quang (Bước sóng 1,3m) Sợi quang đa Mode chiết suất biến đổi (50/125m) 10 20 50 100 200 500 100 (MHZ) Hình Các đặc tính truyền dẫn cáp quang cáp kim loại SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp 1.1.4 Ưu điểm linh kiện thu phát quang: + Có khả điều chế tốc độ cao nên sử dụng truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao băng rộng + Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao + Cho phép suy hao máy phát máy thu lớn linh kiện có khả phát xạ công suất quang lớn độ nhạy thu cao mà đảm bảo chất lượng truyền dẫn Trong hệ thống thông tin sợi quang, khoảng cách trạm lặp lên tới vài chục Km kết hợp đặc điểm suy hao thấp, băng rộng, linh kiện phát quang có cơng suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao Số lượng trạm lắp đường dây giảm đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim loại cổ điển Hệ thống thông tin quang sợi kinh tế, độ tin cậy cao dễ dàng lắp đặt bảo dưỡng Hơn nữa, truyền dẫn kênh dung lượng lớn (rất nhiều tín hiệu ghép lại với thành đường đường tuyến truyền qua tuyến truyền dẫn) cho phép thực dịch vụ truyền Video, multimedia, data… có nhu cầu phát triển lớn Điều làm cho giá trị dịch vụ giảm thấp Thông tin quang cho phép truyền dẫn đồng thời tín hiệu có bước sóng truyền dẫn khác (ghép tần số) Đặc tính có khả truyền dẫn băng rộng sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn tuyến lớn Đường kính nhỏ, trọng lượng bé sợi quang làm giảm khoảng không việc lắp đặt (treo) cáp hạ ngầm Điều cho thấy lần cải thiện tính kinh tế mạng lưới viễn thông làm thuận tiện, dễ dàng lắp đặt bảo dưỡng mạng lưới Một ưu điểm sợi quang không dẫn điện, không cần thiết tách thông tin khỏi thiết bị gây cảm SV: Phạm Đình Khánh Khoa Điện tử Viễn Thông