Tổng quát về thông tin quang

Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân Chơng I: Tổng quát thông tin quang 1.1 Sự phát triển cđa hƯ thèng th«ng tin quang Ngay tõ xa xa ®Ĩ th«ng tin cho nhau, ngêi ®· biÕt sư dụng ánh sáng để báo hiệu Qua thời gian dài lịch sử phát triển nhân loại, hình thức thông tin phong phú dần ngày đợc phát triển thành thông tin đại nh ngày Năm 1950 B.O Brian lần đà sử dụng bó sợi quang để truyền hình ảnh Nhng bã tỉn hao lín nen kh«ng sư dơng thùc tế Đến năm 1960 ngời ta công bố laser đời laser bán dần năm 1962 làm cho thông tin quang trở nên thực tế Các hệ thống thông tin quang đợc sử dụng với môi trờng truyền dẫn không khí Do tham số truyền dẫn môi trờng thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm cho thông tin không ổn định bị gián đoạn chấp nhận đợc Năm 1970 ngời ta đà chế tạo thành công sợi dẫn quang có suy hao nhỏ 20dB/km cách mạng sợi quang đà bắt đầu Trong thời gian hệ thống thông tin sợi quang xuất chủ yếu dùng quân đội Đến năm 1977 hệ thống thông tin quang trớc đà cải tiến, sợi quang cã suy hao 0,5dB/km t¹i bíc sãng  = 1200nm Năm 1978 xuất loại sợi quang có chiết suất biến đổi, suy hao từ 35dB/km sử dụng cho quân lẫn dân Năm 1980 1982 hệ thống thông tin đờng trục 45 Mbít/s 90Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đà đợc lắp đặt Năm 1983 ngời ta chế tạo thành công sợi đơn Mode đến năm 1985 đà sản xuất đợc sợi quang sư dơng bíc sãng 1550mm cã suy hao rÊt nhá đạt tới 0,154dB/km dung lợng sợi quang tăng dần Năm 1989 xuất tiêu chuẩn mạng sợi quang đồng gọi SONET (Synchronous Opital Net Work), năm xuất tiêu chuẩn mạng cục LAN Cuộc cách mạng thông tin sợi quang chủ yếu tập trung vào truyền dẫn kết hợp, cho phép mang sóng quang đà điều chế nh sóng vô tuyến với tốc độ số liệu 10Gbít/s Hiện hệ thống thông tin quang đà đợc ứng dụng rộng rÃi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tơng tự (Analog) số (Digital) chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDM) 1.2 Cấu trúc đặc tính tuyến truyền dẫn quang SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Quan niƯm vỊ c¸c hƯ thèng trun dÉn quang ngày không hệ thống thông tin nữa, đà trải qua nhiều năm khai thác mạng lới cấu trúc truyền dẫn khác Cấu trúc hệ thống thông tin quang tơng tự nh hệ thống thông tin khác, thành phần tuân theo hệ thống thông tin chung phần truyền dẫn quang cáp sợi quang phần thu quang * Bộ phát quang Bộ phát quang Bộ nối quang Tín hiệu điện Mạch vào điều khiển Mối hàn Nguồn phát quang Sợi dẫn quang Trạm lặp Trạm lập Phát quang Mạch điện Thu quang Bộ chia quang Bộ thu quang Tách sóng Khôi phục tín hiệu Tín hiệu điện đại Hình 1.1 điện Mô hình hệ thống thôngTín tin hiệu quang điện Tín hiệu quang Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm sợi dẫn quang lớp vỏ 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 hiệu tạo thành Ngoài thành phần chủ yếu tuyến thông tin quang nối quang - connector, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Nguồn phát quang thiết bị phát sử dụng diode phát quang (LED) laser bán dẫn (LD) Cả loại nguồn phát phù hợp cho hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu có tham số biến đổi tơng ứng với thay đổi dòng điều biến Tín hiệu điện đầu vào thiết bị phát dạng số có dạng tơng tự, thiết bị phát thực biến đổi tín hiệu thành tín hiệu quang tơng ứng công suất quang đầu phụ thuộc vào thay đổi cờng độ dòng điện điều biến cờng độ ánh sáng IM khuếch SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân Bớc sóng làm việc nguồn phát quang phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Tín hiệu ánh sáng đà đợc điều chế nguồn phát quang lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang, trình lan truyền tín hiệu ánh sáng thờng bị suy hao méo yếu tố hấp thụ, tán xạ sắc gây nên thực tế qua nghiên cứu cho thÊy suy hao t¹i ba vïng cưa sỉ bíc sãng 850nm, 1300nm 1550nm thấp nhất, đạt suy hao 0,154dB/km bớc sóng 1550nm Các trạm lặp đợc đặt tuyến truyền dẫn khoảng cách truyền dẫn dài, tới cự ly tín hiệu quang sợi quang bị suy hao nhiều Mục đích để khuếch đại tín hiệu bù trừ suy hao Trạm lặp gồm thiết bị phát thiết bị thu ghép quay phần điện vào Thiết bị thu trạm lặp thu tín hiệu quang yếu tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, 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 Phần thu quang gồm phận tách sóng quang trực tiếp nhận ánh sáng từ phía phát đa tới biến đổi thành tín hiệu điện, qua khuếch đại điện để đa khôi phục lại tín hiệu ban đầu Trong phần thu quang, thờng sử dụng photodiode PIN APD chúng có hiệu suất làm việc cao tốc độ chuyển đổi nhanh Yêu cầu quan trọng thu quang độ nhạy thu quang tức công suất quang nhỏ thu đợc tốc độ truyền dẫn số ứng với tỉ lệ nỗi bít BEP cho phép 1.2.2 Các đặc tính hệ thống thông tin quang Hai đặc tính điển hình hệ thống truyền dẫn tín hiệu tơng tự tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) độ rộng băng tần (B/W) truyền dẫn số tơng ứng xác suất tín hiệu đà tách hay tỉ số lỗi bít BER, tốc độ bít BR thay cho độ chiếm phổ băng tần BW Các tham số điện quang Tỷ số tín hiệu tạp âm (S/E)E sóng mang tạp âm (C/F)E: đợc xác định phía điện hệ thống điện Đó tỉ số điện áp, dòng điện công suất tạp âm Độ băng tần điện (B/E)E: khoảng tần số đáp ứng tín hiệu nh hệ số khuếch đại điện, tỷ số dòng điện điện áp nằm giới hạn xác định Tỷ số tín hiệu tạp âm quang (S/N)o sóng âm mang tạp âm quang (C/O)o: đợc xác định cổng quang hệ thống tơng ứng tỉ số công suất tín hiệu quang trung bình thu đợc công suất tạp âm quang (PR/PN) SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân Độ rộng băng tần quang (BW)o: khoảng tần số mức công suất quang nằm giới hạn xác định Thờng ngời ta sử dụng độ rộng băng tần 3dB tần số điều chế công suất quang giảm đến 50% giá trị so với giá trị tần số f = Các tham số quang tham số đờng phát quang Công suất phát quang Pt: công suất quang đợc đa vào sợi quang đợc đo phía đờng dây tức phía đầu nối phát Công suất phát đợc biĨu thÞ b»ng biĨu thøc Pt = Ps - Li Trong đó: Ps: tổng công suất nguồn phát quang Li: lµ tỉn hao hiƯu st ghÐp ngn quang sợi, tiêu hao sợi cáp ghép Công suất quang yêu cầu tối thiểu (NRP): Nếu gọi R r công suất quang thu đợc đầu vào ghép, phía thu NRP Pr yêu cầu để đạt đợc đặc tính xác định, chúng đợc biểu thị công suất quang yêu cầu tối thiểu máy thu theo công suất thu quang thực tế (P r) Công suất đà tách đợc (Pd) công suất đà tách đợc yêu cầu tối thiểu (MDP) liên quan đến công suất tới tách quang có mối quan hệ là: MDP = MRP - Ld Trong đó: Ld: tổn hao lín cđa bé t¸ch quang c¸c bé nèi, c¸c bé ghép, mối nối tổn hao sợi gây Độ sóng băng tần tuyến (BW): độ rộng băng tần tuyến phụ thuộc vào độ rộng băng tần phần tử tuyến nh: độ rộng băng tần sợi quang kích thích độ rộng băng tần tách quang 1.3 Phân loại u điểm hệ thống thông tin quang 1.3.1 Phân loại hệ thống thông tin quang Phân loại theo dạng tín hiệu điều biến nguồn quang theo cách ngời ta phân hệ thông tin quang theo loại hệ thống thông tin quang Analog hệ thống thông tin quang Didital hệ thống thông tin Analog tín hiệu điều biên nguồn quang tín hiệu tơng tự, hệ thống sử dụng đặc tính phi tuyến nguồn quang máy thu quang, đặc tính tán xạ sợi Trong hệ thống thông tin quang Didital tín hiệu điều biến nguồn quang tín hiệu số Hệ thống đợc sử dơng phỉ biÕn vµ réng r·i HiƯn nay, phỉ biÕn hệ thống thông tin quang Digital truyền dẫn tín hiƯu sè ghÐp kªnh theo thêi gian víi kªnh ghÐp số PCM theo tiêu chuẩn châu âu hay Bắc Mỹ ghép kênh đồng số Phân loại theo phơng thức điều chế giải điều chế tín hiệu quang: theo cách có loại hệ thống thông tin điều chế gián tiếp SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân Hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp: hệ thống tín hiệu điện trực tiếp điều biến cờng độ xạ quang nguồn quang đầu thu tách tín hiệu điện trực tiếp Diode quang từ công suất quang đa vào hầu hết hệ thống thông tin quang dựa vào nguyên lý Đối với hệ thống phần tử hệ thống nh nguồn quang, sợi quang, máy thu quang không thiết phải làm việc chế độ đơn mode mà đảm bảo khả truyền dẫn Nhng truyền dẫn với tốc độ cực lớn chúng bị hạn chế độ nhạy thu, độ rộng băng tần truyền dẫn cự ly khoảng lặp Hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent) Hệ thống sử dụng phơng thức điều biến gián tiếp nguồn quang đầu phát nh hình vẽ sau đây: Tín hiệu vào khuếch đại Điều khiển Giải điều chế Sợi quang Điều chế Laser Diode TÝn hiƯu Trén quang Dao ®éng néi AFC Läc vòng AFC: Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Coherent Luồng tín hiệu điện với luồng xạ đơn sắc đợc tạo từ quang nội đợc đa vào trộn quang để thực hiƯn ®iỊu biÕn quang TÝn hiƯu sau ®iỊu biÕn đợc đa lên đờng truyền dẫn quang đầu thu, tín hiệu quang thu đợc sợi quang đợc đa vào trộn quang với luồng xạ đơn sắc tần số f1 đợc tạo tần số trung gian đợc đa tiếp đến mạch tách sóng để tách tín hiệu điện ban đầu So víi hƯ thèng thu trùc tiÕp hƯ thèng nµy cho độ nhạy cao hơn, tỷ số tín hiệu tạp âm (S/N) lớn hơn, nên cho phép tăng đáng kể cự ly trạm lặp nhờ chọn đợc trung tần lớn cho phép nên truyền dẫn đợc tín hiệu có băng tần rộng - Phân loại theo cự ly truyền dẫn: phân chia thành hệ thống là: SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân + Hệ thống có dung lợng nhỏ trung bình : hệ thống có tốc độ truyền dẫn 8Mbít/s 32Mbít/s, đợc sử dụng mạng thuê bao ISDN mạng trung kế, có cự ly truyền dẫn khoảng 1km thành phố 2030km vùng nông thôn, trạm lặp + Hệ thống có dung lợng lớn: hệ thống truyền dẫn với tốc độ 140Mbít/s, đợc sử dụng mạng trung kế với cự ly 1030km, trạm lặp Hệ thống xuyên quốc gia, xuyên lục địa, hệ thống có dung lợng rÊt lín víi tèc ®é trun dÉn tõ 140MbÝt/s trë nªn, cù ly trun dÉn rÊt xa, hƯ thèng gåm trạm đầu cuối trạm lặp, có khoảng lặp, lớn 50km hàng trăm km 1.3.2 Các u điểm hệ thống thông tin quang Với kết hợp công nghệ bán dẫn công nghệ sợi quang, với nhiều u điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin khác Sau u điểm hệ thống thông tin quang + Dung lợng truyền dẫn lớn cự ly trạm lặp xa: Do việc áp dụng công nghệ tiên tiến nên hệ thống thông tin quang cho suy hao nhỏ độ rộng băng tần lớn Do làm tăng dung lợng truyền dẫn cự ly khoảng lặp hệ thống + Kích thớc trọng lợng sợi cáp nhỏ, sợi cáp quang nhỏ nhẹ kim loại, dễ uốn cong, nên dễ dàng thuận tiện cho việc lắp đặt đặc biệt hệ thống cổng bể thành phố, đặc điểm cho phép ứng dụng lắp đặt hàng không, hàng hải + An toàn tín hiệu: Do sợi quang môi trờng trung tính nên chịu ảnh hởng môi trờng, không bị ảnh hởng điện từ trờng bên nên sử dụng nơi có tạp âm điện từ mạnh nh nhà máy, cột với điện cao mà tín hiệu không bị tác động, không gây tạp âm bên nên có tính bảo mật cao + Có tính cách điện cao mà không gây tạp âm bên ngoài: sợi quang đợc cấu tạo từ thủy tinh thạch anh môi trờng trung tính chất điện môi cách điện hoàn toàn Chúng không gây chạm chập, không gây xuyên âm sợi + Phong phú nguyên liệu: sợi quang đợc chế tạo từ thủy tinh thạch anh nguyên liệu rẻ tiền, phong phú dễ kiếm Với u điểm vợt trội hệ thống thông tin quang ngày đợc triển khai rộng rÃi tuyến thông tin xuyên quốc gia, xuyên lục SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân địa tuyến thông tin nội hạt áp dụng công nghệ truyền dẫn cận đồng PDH đồng SDH * Các nhợc điểm hệ thống thông tin quang Chính u điểm mà ngày hệ thống thông tin quang đợc sử dụng rộng rÃi Song bên cạnh có nhợc điểm - Hàn nối sợi khó khăn cáp kim loại - Muốn cấp nguồn từ xa cho trạm lặp cần có thêm dây kim loại cáp quang - Khi có không khí ẩm ớc lọt vào cáp sợi quang bị lÃo hóa, đặc biệt chỗ mối nối tăng suy hao - Do sợi cã kÝch thíc bÐ nªn hiƯu ghÐp quang thÊp - Vì đặc tính không xạ tuyến tính laser nên hạn chế việc truyền tín hiệu Analog truyền mà lỡng cực * Những ứng dụng thông tin quang Sợi quang đợc ứng dụng mạng lới thông tin gồm: - Mạng đờng trục quốc gia - Đờng trung kế - Đờng cáp thả biển liên quốc gia - Đờng truyền số liệu - Mạng truyền hình (dịch vụ băng rộng) Chơng II Sợi quang 2.1 Bản chất ánh sáng ánh sáng chùm phần tử hạt nhỏ bé đợc phát từ nguồn sáng Các phần tử theo đờng thẳng cót hể thâm nhập vào môi trờng suốt nhng lại bị phản xạ lại gặp môi trờng đục Sự truyền thẳng khúc xạ phản xạ đặc tính ánh sáng - Sự chuyển động sóng luôn vuông góc với hớng mà sóng đi, nên sóng ánh sáng sóng ngang - Sóng điện từ đợc phát từ nguồn nhỏ đợc đặc trng loạt mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt trung tâm mặt cầu Mặt sóng đợc xác định quỹ tích tất điểm loạt sóng pha 2.2 Các định luật ánh sáng SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân + Định luật truyền thẳng Trong môi trờng suốt đồng tính, ánh sáng truyền theo đờng thẳng Vận tốc ánh sáng là: c = v. Với v tần số ánh sáng bớc sóng Trong không gian tự c = 3.108m/s Trong môi trờng suốt v nhỏ c ®ã ta cã chØ sè chiÕt suÊt n cña vËt liệu là: n = c/v Giá trị chiết suất n không khí 1,00, nớc 1,33; thuỷ tinh 1,50 kim cơng 2,42 + Định luật phản xạ ánh sáng - Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới phía bên pháp tuyÕn so víi tia tíi n1sin1 = n2sin2 Víi 1 góc tới - góc hợp pháp tuyến mặt phân cách hai môi trờng với tia tới góc khúc xạ - góc tạo pháp tuyến mặt phân cách hai môi trờng với tia khúc x¹ - Gãc pha = gãc tíi (i' = i) + Định luật khúc xạ ánh sáng - Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới bên pháp tuyến so với tia tới - Đối với cặp môi trờng suốt định tỷ số gi÷a sin cđa gãc tíi (sin i) víi sin cđa góc khúc xạ (sin r) luôn số không đổi Số không đổi phụ thuộc vào chất môi trờng đợc gọi chiết suất tỷ đối môi trờng chứa tia khúc xạ (môi trờng 2) môi trờng chứa tia tới (m«i trêng 1), ký hiƯu n2 sin i =n sin r 21 2.3 Cơ sở vật lý sợi quang Nguyên lý việc truyền tín hiệu ánh sáng sợi dẫn quang dựa vào tợng phản xạ toàn phần tia sáng, tợng xảy mặt phân cách môi trờng có chiết suất khác Khi tia sáng đợc trun tõ m«i trêng cã chØ sè chiÕt st lín vào môi trờng có chiết suất nhỏ thay đổi hớng truyền chúng mặt phân cách hai môi trờng Các tia sáng qua mặt phân cách bị thay đổi hớng nhng tiếp tục vào môi trờng chiết suất ta nói tia bị khúc xạ, tia qua mặt phân cách lại quay trở lại môi trờng ban đầu ta nói tia bị phản xạ SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân Giả sử môi trờng thứ có chiết suất n1 môi trờng thứ hai có chiÕt suÊt n1 < n2 Ph¸p tuyÕn Ph¸p tuyÕn Tia khóc x¹ n1 n2 n1 2 n2 >1 Tia tới Vùng phản ánh toàn phầnTia phản xạ Tia tới Hình 2.1 Hiện tợng phản xạ khúc xạ ánh sáng Theo định luật Snell ta có quan hệ sau: n1sin = n2sin Trong đó: : góc tới, góc hợp tia pháp tuyến mặt phân cách môi trờng : góc khúc xạ - góc tạo pháp tuyến mặt phân cách môi trờng với tia khúc xạ Khi góc tới lớn dần lên với giá trị góc tạo tia khúc xạ chạy song song với mặt phân cách môi trờng đợc gọi góc tới hạn ứng với góc tới hạn góc khúc xạ = 900 vµ lóc nµy: sin1 = n1 n2 Nếu tia sáng có góc tới lớn góc tới hạn bị phản xạ trở lại Hiện tợng gọi tợng phản xạ toàn phần Đây nguyên lý để truyền tín hiệu quang sợi quang 2.4 Cấu tạo chung sợi quang 2.4.1 Cấu tạo sợi quang Sợi quang sợi dây truyền nhỏ ánh sáng nhìn thấy đợc truyền tia hồng ngoại Sợi quang gồm chất điện môi suốt khác (nhựa hay thủy tinh) Một phần ánh sáng truyền qua gọi lỗi sợi, phần lại vỏ bao quang lỗi sợi để ánh sáng phản xạ cách hoàn toàn lõi chiết suất lõi lớn chiết suất vỏ khoảng 2% hay 3% Lõi phần vỏ bao quang đợc làm thủy tinh hay chất dẻo (silical) đờng kính c¶ vá bao quanh kho¶ng 0,1mm, lâi dÉn sãng cđa sợi có đờng kính nhỏ nhiều cỡ khoảng vài m (1m10-3mm) so với bớc sóng truyền tải lớn khoảng vài chục lần Đờng kính đợc xác định theo yêu cầu truyền dẫn đặc tính học SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng Đồ án tốt nghiệp GVHD: Đào Quang Huân 2.4.2 Phân loại Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào thay đổi thành phần chiết suất lõi sợi chúng đợc phân chia theo nhiều cách khác - Phân loại theo cấu tạo: phân chia theo kích thớc ruột vỏ, theo loại vật liệu sử dụng theo biến thiên chiết suất ruột sợi - Phân loại theo đặc tính truyền dẫn Phân chia sợi đơn mode sợi đa mode + Sợi ®¬n Mode (SM) chØ trun dÉn nhÊt mode có mode tia chạy song song với trục sợi + Sợi đa mode (MM) truyền dẫn đồng thời nhiều mode có nhiều tia đợc truyền dẫn theo đờng khác - Phân bố theo chiết suất khúc xạ Ngời ta chia ra: + Sợi cã chiÕt st bËc SI + Sỵi cã chiÕt st biến thiên từ tâm đến lõi gọi sợi GI - Phân loại theo cấu trúc vật liệu + Sỵi thđy tinh + Sỵi lâi thđy tinh, vá chÊt dẻo + Sợi chất dẻo 2.4.3 Các tham số đặc trng sợi quang * Sợi đa mode - Chiết st lâi sỵi n1 - ChiÕt st vá sỵi n2 - Bán kính lõi sợi a - Khẩu độ số NA * Sợi đơn mode - Đờng kính trờng Mode - Đờng kính lớp vỏ dm - Bớc sóng cắt Đờng kính trờng mode đờng kính điện tích tròn phần rìa cắt ngang sợi có độ ánh sáng 1/e đạt giá trị lớn theo phân bố mật độ lợng ánh sáng Bớc sóng cắt mode bớc sóng mà mode trở lên bị xạ chiếu sáng không khả truyền sợi dẫn quang xác định vùng hoạt động bớc sóng mode SVTH: Phạm Thị Thúy Hằng