Đang tải... (xem toàn văn)
ĐÀO HUY DU G i á o trình KỸ t h u ậ t T I THÔNG TIN QUANG < ỊD _____________________ ____ ^ NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM ĐÀO HUY DU Giáo trình KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG NHÀ XUÁT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống truyền dẫn quang đã được áp dụng ở tất cà các quôc gia trên thế giới, cà mạng đường trục quốc gia và đường xuyên lục địa; và là một hệ thống rất quan trọng trong vấn để truyền dẫn hiện nay M ạng quang ra đời đảnh dấu bước nhảy vọt trong lĩnh vực truyền thông tốc độ cao Cuốn “Giáo trình Kỹ th uật thông tin q u a n g ” cung cấp kiến thức cơ bản vê các linh kiện thiết bị và thiết kế trong hệ thống thông tin quang nhằm giới thiệu cho người học nắm được tống quan về hệ thống thông tin quang Nội dung cuốn giáo trình tập trung giới thiệu các phần từ cơ bản cùa hệ thắng thông tin quang, nguyên lý chung về truyền tín hiệu quang, các phần từ thu, phát tín hiệu quang; phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang; cách thi công lắp đặt tuyến truyền dẫn quang Giáo trình này được viết dựa trên các tài liệu tham kháo và tiếp thu nhiều ý kiến đóng góp quỷ báu cùa các nhà khoa học, đòng thời đã trao đối với các cán bộ kỹ thuật đang vận hành trong thực tế để đảm bào sát thực với hệ thống thực tế Nội dung "Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang ” gom 5 chương: Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương 2 Cáp sợi quang Chương 3 Bộ p h á t quang Chương 4 Thiết bị thu quang Chương 5 Thiết k ế hệ thống thông tin quang Cuốn giáo trình này phục vụ cho sinh viên các ngành Kỹ thuật viễn thông, Kỹ thuật điện từ, Kỹ thuật máy tính, Điện tử y sinh cùa các trường đại học, cao đẳng Ngoài ra, Giáo trình cũng giúp ích cho các cán bộ kỹ thuật đang vận hành, quàn lý hệ thống truyền dẫn quang và các cán bộ quan tăm đến lĩnh vực này 3 Tác già xin bày tỏ lòng cảm ơn tới: ThS Lê Thị Huyền Trang và KS Nguyễn Đức Mùi đã giúp đỡ hoàn thành cuốn sách này Mặc dù đã có nhiều cố gắng khi biên soạn nhưng nội dung Giáo trình chắc chắn sẽ không thế tránh khỏi những khiếm khuyêt Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đông nghiệp và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để Giáo trinh được hoàn thiện hơn trong những lan tái bản sau Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Điện từ, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, sổ 666 đường 3/2 phường Tích Lương, thành Phố Thái Nguyên Xin trán trọng cám ơn! Tác giả 4 MỤC LỤC Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin q uang 9 1 1 Lịch sử phát triển 9 1 2 Nguyên lý tổ chức cùa hệ th ố n g 13 1 3 Các thành phần cơ bản cùa hệ thống thông tin q u an g 15 1 4 Khuếch đại q u an g 18 1 5 Ghép kênh quang 21 1 6 Phân loại hệ thống thông tin quang 23 1 7 Khả năng và ưu điểm của hệ thống thông tin q u a n g 25 Câu hỏi ôn tập chương 1 27 Chương 2 Cáp sợi quang 2 9 2 1 Cơ sở quang h ọ c 29 2 2 Cấu tạo và phân loại sợi quang 31 2 2 1 Cấu tạo sợi q u ang 31 2 2 2 Phân loại sợi q u a n g 32 2 3 Lý thuyết điện từ cho phương thức truyền q u an g 38 2 3 1 Sóng điện t ừ 38 2 3 2 Chế độ thanh dẫn p h ẳ n g 40 2 3 3 Pha và vận tốc nhóm 44 2 3 4 Độ dịch pha với phàn xạ toàn phần và trường điện từ tắt dần 45 2 3 5 Chuyển đổi G oos-H anchen 52 2 4 Truyền sóng ánh sáng trong sợi q u a n g 53 2 4 1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đa m ode 54 2 4 2 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi đơn m ode 63 2 5 Suy hao trong sợi q u a n g 67 5 2 5 1 Tán sắc trong sợi quang 67 2 5 2 Suy hao 74 2 5 3 Hiệu ứng phi tuyến 2 6 Một số loại sợi quang m ớ i 80 2 6 1 Nguyên tắc tạo sợi quang m ới 81 2 6 2 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 84 2 7 Các phương pháp chế tạo sợi q u a n g 86 2 7 / Phương pháp thanh - ống co đ ie n 86 2 7 2 Phương pháp nồi nấu đôi 87 2 7 3 Phương pháp đọng hơi hoá ch ấ t 88 2 7 4 Kéo sợ i 90 2 8 Cáp sợi q u an g 91 2 8 1 Yêu cầu kỹ thuật 91 2 8 2 Cấu tạo cáp quang 92 2 8 3 Phân lo ạ i 96 2 8 4 Một số loại cáp quang thông dụng 97 2 9 Hàn nối cáp sợi q u an g 98 2 9 1 Yêu cầu kỹ thuật 98 2 9 2 Các phương pháp hàn noi sợi quang 99 Câu hòi và bài tập chương 2 103 Chưong 3 Bộ phát q u an g 106 3 1 Giới thiệu 106 3 2 Nguyên lý chung của bộ phát quang 107 3 2 1 Các khái niệm cơ bàn 107 3 2 2 Nguyên lý bức xạ ánh sáng không kết h ợ p 108 3 2 3 Nguyên lý bức xạ ánh sáng kết hợp - Nguyên lý Laser ] 09 3 2 4 Nguyên lý bức xạ ánh sáng cùa laser bán d ẫ n 1 ] 1 6 3 3 Các bộ phát qu an g 115 3 3 1 Yêu cầu về vật liệu chế tạo LED và LD bán d ẫ n 115 3 3 2 L E D 116 3 3 3 Laser diode (LD ) 127 3 4 Các nguồn Laser bán dẫn đơn m ode 136 3 4 1 Yêu cầu 136 3 4 2 Diode laser đơn mode có cấu trúc dị thê chôn B H (Buried Heterostructure) 137 3 4 3 Diode laser đơn mode loại hoi tiếp phân bổ DFB (Distributed Feedback L D ) 138 Câu hòi và bài tập chương 3 141 Chương 4 Thiết bị thu q u an g 1 4 4 4 1 Giới thiệu 144 4 2 Bộ tách sóng Photodiode 145 4 2 1 Bộ tách sóng photodiode p - i - n 145 4 2 2 Thời gian đáp ứng và dòng photon vùng trôi cùa bộ tách sóng quang 151 4 2 3 Photodiode thác A P D 156 4 2 4 Vật liệu chế tạo photodiode 161 4 3 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng q u an g 162 4 3 1 Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng qua n g 163 4 3 2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 167 Câu hỏi và bài tập chương 4 168 Chương 5 Thiết kế hệ thống thông tin q u a n g 17 4 5 1 Các nguyên tắc xây dựng hệ thống thông tin q u a n g 174 5 2 Các cơ sở để thiết kế tuyến 175 5 3 Quy trình thiết kế 177 5 3 1 Khảo sát điều kiện lắp đặt 177 7 5 3 2 Chọn tuyến 186 5 3 3 Lựa chọn sợi qua n g 187 5 3 4 Chọn nguồn quang 191 5 3 5 Lựa chọn thiết bị 194 5 3 6 Tính toán chiều dài trạm lặp 195 5 3 7 Tính toán thời gian tăng sườn xu n g 198 5 3 8 Tính toán tỷ sổ lỗi bit BER 199 5 4 Thi công lắp đ ặ t 200 5 4 1 Quy định chung 200 5 4 2 Lắp đặt cáp 201 5 4 3 Hàn nối sợi quang 212 5 4 4 Thi công tiếp đất 212 5 4 5 Thi công lắp đặt thiết bị, nhà trạ m 213 5 5 Phần mềm hỗ trợ thiết kế hệ thống thông tin quang 214 Câu hỏi và bài tập chương 5 214 Tài liệu tham kh ảo 214 8
ĐÀO HUY DU G i o trình KỸ t h u ậ t T I THÔNG TIN QUANG < ỊD ^ _ NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM ĐÀO HUY DU Giáo trình KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG NHÀ XUÁT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống truyền dẫn quang áp dụng tất cà quôc gia giới, cà m ạng đường trục quốc gia đường xuyên lục địa; hệ thống quan trọng vấn để truyền dẫn M ạng quang đời đảnh dấu bước nhảy vọt lĩnh vực truyền thông tốc độ cao Cuốn “Giáo trình K ỹ th u ậ t thơng tin q u a n g ” cung cấp kiến thức vê linh kiện thiết bị thiết kế hệ thống thông tin quang nhằm giới thiệu cho người học nắm tống quan hệ thống thông tin quang N ội dung giáo trình tập trung giới thiệu phần từ cùa hệ thắng thơng tin quang, ngun lý chung truyền tín hiệu quang, phần từ thu, phát tín hiệu quang; phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang; cách thi cơng lắp đặt tuyến truyền dẫn quang Giáo trình viết dựa tài liệu tham kháo tiếp thu nhiều ý kiến đóng góp quỷ báu cùa nhà khoa học, đòng thời trao cán kỹ thuật vận hành thực tế để đảm bào sát thực với hệ thống thực tế Nội dung "Giáo trình Kỹ thuật thơng tin quang ” gom chương: Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương Cáp sợi quang Chương Bộ p h t quang Chương Thiết bị thu quang Chương T hiết k ế hệ thống thơng tin quang Cuốn giáo trình phục vụ cho sinh viên ngành Kỹ thuật viễn thông, Kỹ thuật điện từ, K ỹ thuật máy tính, Điện tử y sinh cùa trường đại học, cao đẳng Ngoài ra, Giáo trình giúp ích cho cán kỹ thuật vận hành, quàn lý hệ thống truyền dẫn quang cán quan tăm đến lĩnh vực Tác già xin bày tỏ lòng cảm ơn tới: ThS Lê Thị Huyền Trang KS Nguyễn Đức Mùi giúp đỡ hoàn thành sách Mặc dù có nhiều cố gắng biên soạn nội dung Giáo trình chắn khơng tránh khỏi khiếm khuyêt Chúng mong nhận góp ý nhà chun mơn, bạn đông nghiệp quan tâm đến lĩnh vực để Giáo trinh hoàn thiện lan tái sau Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Điện từ, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, sổ 666 đường 3/2 phường Tích Lương, thành Phố Thái Nguyên Xin trán trọng cám ơn! Tác giả MỤC LỤC Chương Tổng quan hệ thống thông tin q uang 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Nguyên lý tổ chức cùa hệ th ố n g 13 1.3 Các thành phần cùa hệ thống thông tin q u an g 15 1.4 Khuếch đại q u an g 18 1.5 Ghép kênh quang 21 1.6 Phân loại hệ thống thông tin quang 23 1.7 Khả ưu điểm hệ thống thông tin q u a n g 25 Câu hỏi ôn tập chương 27 Chương Cáp sợi quang 2.1 Cơ sở quang h ọ c 29 2.2 Cấu tạo phân loại sợi quang 31 2.2.1 Cấu tạo sợi q u an g 31 2.2.2 Phân loại sợi q u a n g 32 2.3 Lý thuyết điện từ cho phương thức truyền q u a n g 38 2.3.1 Sóng điện t 38 2.3.2 Chế độ dẫn p h ẳ n g 40 2.3.3 Pha vận tốc nhóm 44 2.3.4 Độ dịch pha với phàn xạ toàn phần trường điện từ tắt dần 45 2.3.5 Chuyển đổi G oos-H anchen 52 2.4 Truyền sóng ánh sáng sợi q u a n g .53 2.4.1 Sự lan truyền ánh sáng sợi đa m ode 54 2.4.2 Sự lan truyền ánh sáng sợi đơn m ode 63 2.5 Suy hao sợi q u a n g .67 2.5.1 Tán sắc sợi quang 67 2.5.2 Suy hao 74 2.5.3 Hiệu ứng phi tuyến 2.6 Một số loại sợi quang m i 80 2.6.1 Nguyên tắc tạo sợi quang m ới 81 2.6.2 Các sợi dẫn quang đơn mode thông tin quang 84 2.7 Các phương pháp chế tạo sợi q u a n g 86 / Phương pháp - ống co đ ie n 86 2.7.2 Phương pháp nồi nấu đôi 87 7.3 Phương pháp đọng hoá c h ấ t 88 2.7.4 Kéo sợ i .90 2.8 Cáp sợi q u an g 91 2.8.1 Yêu cầu kỹ thuật 91 2.8.2 Cấu tạo cáp quang 92 2.8.3 Phân lo i 96 2.8.4 Một số loại cáp quang thông dụng .97 2.9 Hàn nối cáp sợi q u a n g 98 2.9.1 Yêu cầu kỹ thuật 98 2.9.2 Các phương pháp hàn noi sợi quang 99 Câu hòi tập chương 103 Chưong Bộ phát q u an g 106 3.1 Giới thiệu 106 3.2 Nguyên lý chung phát quang .107 3.2.1 Các khái niệm bàn 107 3.2.2 Nguyên lý xạ ánh sáng không kết h ợ p 108 3.2.3 Nguyên lý xạ ánh sáng kết hợp - Nguyên lý Laser ] 09 3.2.4 Nguyên lý xạ ánh sáng cùa laser bán d ẫ n ] 3.3 Các phát q u an g 115 3.3.1 Yêu cầu vật liệu chế tạo LED LD bán d ẫ n 115 3.3.2 L E D 116 3.3.3 Laser diode (LD ) 127 3.4 Các nguồn Laser bán dẫn đơn m ode 136 3.4.1 Yêu cầu 136 3.4.2 Diode laser đơn mode có cấu trúc dị thê chôn B H (Buried H eterostructure) 137 3.4.3 Diode laser đơn mode loại hoi tiếp phân bổ DFB (Distributed Feedback L D ) 138 Câu hòi tập chương 141 Chương Thiết bị thu q u a n g 4 4.1 Giới thiệu 144 4.2 Bộ tách sóng Photodiode 145 4.2.1 Bộ tách sóng photodiode p - i - n .145 4.2.2 Thời gian đáp ứng dịng photon vùng trơi cùa tách sóng quang 151 4.2.3 Photodiode thác A P D 156 4.2.4 Vật liệu chế tạo photodiode 161 4.3 Tỷ số tín hiệu nhiễu tách sóng q u a n g 162 4.3.1 Các nguồn nhiễu tách sóng q ua n g 163 4.3.2 Tỷ số tín hiệu nhiễu 167 Câu hỏi tập chương 168 Chương Thiết kế hệ thống thông tin q u a n g 17 5.1 Các nguyên tắc xây dựng hệ thống thông tin q u a n g 174 5.2 Các sở để thiết kế tu y ến 175 5.3 Quy trình thiết kế 177 5.3.1 Khảo sát điều kiện lắp đặt 177 5.3.2 Chọn tuyến 186 5.3.3 Lựa chọn sợi q ua n g 187 5.3.4 Chọn nguồn quang 191 5.3.5 Lựa chọn thiết bị 194 5.3.6 Tính tốn chiều dài trạm lặp 195 5.3.7 Tính tốn thời gian tăng sườn x u n g 198 5.3.8 Tính toán tỷ sổ lỗi bit B E R 199 5.4 Thi công lắp đ ặ t 200 5.4.1 Quy định ch u n g 200 5.4.2 Lắp đặt cáp 201 5.4.3 Hàn nối sợi qua n g 212 5.4.4 Thi công tiếp đất 212 5.4.5 Thi công lắp đặt thiết bị, nhà trạ m 213 5.5 Phần mềm hỗ trợ thiết kế hệ thống thông tin quang 214 Câu hỏi tập chương 214 Tài liệu tham kh ảo 214