Hệ thống thông tin sợi cáp quang

đồ án tốt nghiệp Chơng I: Tổng quan hệ thống thông tin sợi cáp quang 1 Giới thiệu chung Một nhu cầu cần thiết với ngời nhu cầu trao đổi thông tin Trong lịch sử phát triển loài ngời đà có nhiều hình thức trao đổi thông tin khác Tơng ứng với hình thức thông tin hệ thống thông tin Có thể kể đến hình thức thông tin trao đổi thông tin lửa ngời Hy Lạp kỷ VIII trớc công nguyên mà hệ thống thông tin đống lửa đợc đốt lên để báo hiệu Phát minh Alexander Graham Bell điện thoại năm 1880 đà đánh dấu bớc tiến quan trọng thông tin Sự phát triển hệ thống sở cải tiến hình thức truyền dẫn cũ nhằm mục đích tăng dung lợng truyền dẫn, tăng tốc độ truyền tin, tăng cự ly, độ an toàn tin cậy tin tức Cho đến hình thức thông tin đà có nhiều thay đổi, chủ yếu điện thoại với hình thức dịch vụ phi thoại khác Dịch vụ điện thoại ứng dụng quan trọng mạng Viễn thông ngày Cùng với nhu cầu điện thoại nhu cầu phi thoại nh telefax, truyền dẫn data, truyền dẫn tín hiệu truyền hình, truy nhập sở liệu từ xa ngày phát triển Xuất phát từ nhu cầu thực tế nh vậy, đòi hỏi phải có hệ thống truyền dẫn với khả truyền dẫn lớn, thuận tiện cho việc khai thác, quản lý, đáp ứng đợc yêu cầu băng tần, chất lợng giao tiếp tơng thích Các mạng thông tin đại có cấu trúc điển hình gồm nút mạng kênh liên kết nút mạng đợc tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn môi trờng truyền dẫn khác nh cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh Nhu cầu thông tin ngày tăng đòi hỏi số lợng kênh truyền dẫn lớn, song hệ thống không cho phép tổ chức đợc luồng kênh cực lớn Đến với kỹ thuật thông tin quang ngời ta đà tạo đợc hệ thống truyền dẫn nhiều kênh hệ thống truyền dẫn điện Hiện đà chế tạo đợc hệ thống truyền dẫn có tốc độ hàng trăm Mbit/s tới vài Gbit/s, số nớc đà có 50% kênh truyền dẫn kênh truyền dẫn quang Các xu hớng nghiên cứu tạo hệ Đào Quang Tuyên nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp thống truyền dẫn tốc độ hàng chục Gbit/s, đồng thời chuyển từ lĩnh vực chuyển mạch điện tử sang chuyển mạch quang Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn quang cho hình1.1: Phần điện tử Nguồn tín hiệu Biến đổi điện-quang E/O A Hình 1.1 Sợi quang SQ C Biến ®ỉi quang-®iƯn O/E D PhÇn ®iƯn tư TÝn hiƯu thu B Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang Nguồn tín hiệu thông tin nh nhau, nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn Phần điện tử 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 biÕn ®ỉi tÝn hiệu điện sang tín hiệu quang để phát đi, có chức nh điều biến hệ truyền dẫn tín hiệu điện 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 sang xạ quang Các hệ làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ xạ quang Trong tơng lai áp dụng nguyên lý điều biến gián tiếp cách điều pha điều tần xạ kết hợp Tín hiệu phát tới điểm C tín hiệu quang hệ truyền dÉn quang, kh¸c víi tÝn hiƯu cđa hƯ trun dẫn tín hiệu điện tín hiệu cao tần đợc điều biến biên độ, pha tần số Sợi quang SQ truyền dẫn ánh sáng nguồn xạ điện quang đà điều biến, có vai trò nh kênh truyền dẫn (cáp điện sóng vô tuyến điện) hƯ thèng cỉ ®iĨn Bé biÕn ®ỉi quang điện O/E thu, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang làm biến đổi trở lại thành tín hiệu điện, giống nh tín hiệu đợc phát Nó có vai trò nh giải điều hệ thống cổ điển Tín hiệu vào điểm D giải điều (tín hiệu điện từ) OE (tín hiệu quang) khác nhau, nhng tín hiệu hai tín hiệu điện đợc đa vào phần ®iƯn tõ t¸ch tÝn hiƯu thu gièng tÝn hiƯu phát từ nguồn tín hiệu Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp Sự phát triển công nghệ thông tin quang đà cho phép truyền dẫn với tốc độ lớn môi trờng sợi quang Nhờ tạo điều kiện tiêu chuẩn truyền dẫn liệu tốc độ cao đời 1.2 Các thành phần tuyến truyền dẫn quang Các thành phần tuyến truyền dẫn sợi quang đợc nêu hình 1.2 Trong tín hiệu điện dạng analog digital, ngày tín hiệu digital đợc dùng phổ biến Điện thoại Điện thoại Trạm lặp Số liÖu Sè liÖu Fax Ex A SDH (PDH) E/O E/O O/E O/E SDH (PDH) Sỵi quang TÝn hiƯu quang Sỵi quang TÝn hiƯu quang Tivi Ex B Fax Tivi H×nh 1.2: Các thành phần tuyền truyền dẫn quang Các phần tử hệ thống thông tin quang gồm: - Nguồn tín hiệu thông tin dạng thông tin thông thờng nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn - Phần điện tử: để xử lý nguồn tin, tạo tín hiệu điện đa vào hệ thống truyền dẫn, tín hiệu tơng tự số (điểm A) - Bộ biến ®ỉi ®iƯn quang E/O ®Ĩ thùc hiƯn ®iỊu biÕn tÝn điện vào cờng độ xạ quang phát - Sợi dẫn quang để truyền dẫn ánh sáng nguồn xạ (E/O) đà điều biến, có vai trò nh kênh truyền dẫn 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 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 Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp thức thông tin khác dung lợng kênh có tính 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 - Thành phố 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 - Đờng trung kế - Đờng cáp thả biển xuyên quốc gia - Đờng truyền số liệu, mạng LAN - Mạng truyền hình - Trong tơng lai sợi quang đợc sử dụng mạng thuê bao 1.4 Ưu điểm thông tin sợi quang 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, thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao - Trọng lợng nhẹ, kích thớc nhỏ - Hoàn toàn cách điện, không chịu ảnh hởng sấm sét - Không bị can nhiễu trờng điện từ Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp - Xuyên âm 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 Chơng II: Giới thiệu chung sợi dẫn quang 2.1 Cơ sở quang học ánh sáng dùng thông tin quang n»m ë vïng cËn hång ngo¹i víi bíc sóng từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có bớc sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm * Chiết suất môi trờng: n Trong đó: C V n: Chiết suất môi trờng C: Vận tốc ánh sáng chân không, C = 3.108m/s V: Vận tốc ánh sáng môi trờng Vì V C nên n * Sự phản xạ toàn phần Định luật Snell: n1sin = n2sin Tia khúc xạ Môi trờng 2: n2 2’ M«i trêng 1: n1 3’ T 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 tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, góc đợc gọi góc tới hạn T, tiếp tục tăng cho > T Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp không tia khúc xạ mà tia phản xạ, tợng gọi phản xạ toàn phần Dựa vào công thức định luật Snell ta tính đợc góc tới h¹n sin  T  n1 n2 2.2 Sù trun dẫn ánh sáng sợi quang Nguyên lý thông tin quang Thng s dng hai phng pháp : +) Thông tin quang điều biến trực tiếp: a) Điều biến ngoài:i: S LD NAS BĐBQ Sợi quang E/O LASER BTS O/E BĐBĐ BGĐBĐ NTT BTT Hình 2.2 Thông tin quang iu bin ngoi:i +Giải thích: NAS: Nguồn ánh sáng nguồn ánh sáng LASER -BĐBQ: Bộ điều biến quang để biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang -BĐBĐ: Bộ điều biến điện để biến đổi tín hiệu âm tần thành tín hiệu cao tần -NTT: Nguồn tin tức (ống nói) -BGĐBĐ: Bộ giải điều biến điện để biến đổi tín hiệu cao tần trở tín hiệu âm tần -BTS: Bộ tách sóng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp -BTT: Bộ thu tin (ống nghe) +Nguyên lý hoạt động: Từ sơ đồ cho ta nguyên lý hoạt động nh sau: Tõ nguån ¸nh s¸ng ph¸t ¸nh s¸ng LASER tõ LD hay LED, ánh sáng cha mang tin tức đợc đa vào ĐBQ Đồng thời từ NTT tạo dòng điện chiều biến đổi (từ ống nói) Dòng điện vào BĐBĐ để tạo thành tín hiệu có tần số cao sau tiếp tục vào ĐBQ Tại BĐBQ ánh sáng ®ỵc ®iỊu biÕn bëi tÝn hiƯu ®iƯn ®Ĩ biÕn ®ỉi tín hiệu điện thành tín hiệu quang (E/O) tín hiệu quang tiếp tục vào sợi quang Khi tới đầu thu tín hiệu quang đợc đa vào BTS Tại tín hiệu quang đợc biến đổi thành tín hiệu điện (O/E) sau tín hiệu điện đợc đa vào BGĐBĐ để tách tần số sóng mang tần số âm tần Tín hiệu âm tần tiếp tục vào thu tin (BTT) trả lại sóng âm cho ngời nghe Để phát đợc tín hiệu từ bên thu bên phát ta phải bố trí sơ đồ khối theo trình tự ngợc lại nh bên trái phải dùng sợi quang thứ để dẫn tín hiệu +Nhận xét: Với phơng pháp điều biến NAS phải đặt trớc hệ thống thông tin (tức đặt bên ngoài) b.Phơng pháp điều biến trực tiếp: +Sơ đồ khèi: LASER Sợi quang NTT BĐBĐ NXB BTS E/O BGĐBĐ BTT E/O +Giải thích: -NBX: Nguồn xạ để biến ®ỉi tõ tÝn hiƯu ®iƯn sang tÝn hiƯu quang (Ho¹t ®éng nhê tÝn hiƯu ®iƯn ®a ®Õn) -NTT; B§B§; BTS; BGĐBĐ; BTT nh +Nguyên lý hoạt động: Từ nguồn tin tức tạo tín hiệu điện âm tần Tín hiệu điện vào BĐBĐ để tạo thành tín hiệu cao tần sau tiếp vào NBX Tại tín hiệu điện đợc biến ®ỉi thµnh tÝn hiƯu quang TÝn hiƯu quang sÏ ®i vào sợi quang Tới đầu thu tín hiệu quang ®i vµo bé BTS ®Ĩ biÕn ®ỉi tõ tÝn hiƯu quang thành tín hiệu điện, vào BGĐBĐ để tách tần số sóng mang tần số âm tần Tần số âm tần tiếp vào BTT để trả lại âm cho ngời nghe Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tèt nghiƯp +NhËn xÐt: §Ĩ cã thĨ trun tin tøc ngợc lại đầu phát phải có hệ thống thông tin ngợc lại phải truyền dẫn sợi quang khác 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 Các tia s¸ng 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 tợng tán sắc, độ tán sắc lớn nên sợi SI không thĨ 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 In dex) 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) n2 Đào Quang Tuyên Nội Hình 2.4: Sự truyền ánh sáng sợi GI Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp 2.3.3 Các loại chiết suất khác Hai dạng chiết suất SI GI đợc dùng phổ biến, số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng yêu cầu đặc biệt: * Dạng giảm chiết suất lớp bọc: * Dạng dịch độ tán sắc * Dạng san tán sắc 2.4 Sợi đa mode sợi đơn mode 2.4.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode) Các thông số sợi đa mode thông dụng (50/125 µm )lµ: - §êng kÝnh lâi: d = 2a = µm - §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125 àm - 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 50àm 125àm n1 50àm 125àm n1 n2 n2 a Sợi SI b Sợi GI n1 n2 n1 2.4.2 Sợi đơn mode (SM: Single mode) Hình 2.4.1: Sợi đa mode Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà đồ án tốt nghiệp Mô tả lan truyền ánh sáng sợi quang phơng pháp quang hình học hoàn toàn cha đủ xác, xác khái niệm mode truyền dẫn Vì vậy, để hiểu hết đặc tính quan trọng sợi quang cần vận dụng thêm suy nghĩ quang học sóng Vấn đề quang học sóng tợng giao thoa hai sóng ánh sáng cïng lan truyÒn NÕu hai sãng lan truyÒn cïng pha tăng cờng lẫn nhau, chúng ngợc pha làm suy giảm lẫn triệt tiêu Nh thế, khái niêm mode đợc hiểu rộng, coi tia sóng đợc phép lan truyền, dạng sóng đợc phép lan truyền nghiệm phơng trình truyền sóng Vì sợi đơn mode không nên hiểu đơn giản có mode lan truyền nghĩa có tia sáng lan truyền Theo quan điểm truyền sóng, xem mode dạng sóng lan truyền, có phân bố cờng độ trờng mặt cắt sợi riêng có vận tốc lan truyền riêng vậy, ngời ta đánh giá đặc tính đa mode hay đơn mode sợi thông qua số mode đợc phép lan truyền 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 nhiễu đờng truyền không sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc 9àm 125àm n1 n2 Các thông số sợi đơn mode thông dụng là: Hình2.4.2: Sợi đơn mode §êng lâi kÝnh: d = 2a = 9µm  10 µm §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125 µm §é lƯch chiÕt st: ∆ = 0,003 = 0,3% Chiết suất lõi: n1 = 1,46 Độ tán sắc sợi đơn mode nhỏ, đặc biệt bớc sóng = 1300nm độ tán sắc sợi đơn mode thấp ( 0) Do dải thông Đào Quang Tuyên Nội Khoa ĐTVT ĐHBK Hà