Hệ thống thông tin quang

T rong thời kỳ hiện nay, việc đáp ứng nhu cầu về thông tin cho xã hội là điều rất cần thiết và quan trọng. Ngày nay các phương tiện thông tin đang phát triển ngày càng trở lên hiện đại đã giúp cho việc giao lưu thông tin văn hoá, kỹ thuật, kinh tế, quân sự ngày cang đa dạng về hình thức, phong phú về nội dung, chất lượng, kinh tế về giá cả. Bên cạnh những thiết bị tiên tiến đó, để thoả mãn nhu cầu về dung lượng lớn, thời gian phát và nhận tin nhanh, chất lượng thông tin bảo đảm thì việc lựa chọn và tìm kiếm một môi trường ttruyền dẫn là điều rất cần thiết. Chúng ta đã và đang sử dụng một số loại hình truyền dẫn thông tin như: cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba... mỗi loại đều có những ưu điểm, nhược điểm riêng mà chúng ta khó có thể khác phục được. Với những ưu điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn ở các dạng thông tin cần thiết dưới dạng tín hiệu số, cự ly truyền thông tin đi được xa, không chịu ảnh hưởng của các nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin cao... hệ thống thông tin quang được coi là có nhiều tiềm năng phát triển nhất trong mạng viễn thông. Qua tìm hiểu về hệ thống thông tin quang, báo cáo bài tập lớn này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống thông tin quang.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Danh sách thành viênVà bảng phân công

công việc

Lời nói đầu 4

Danh mục hình ảnh 5

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 6

1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 6

2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 6

2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin quang 6

2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 7

3 Các thành phần của hệ thống thông tin quang 8

3.1 Lý thuyết chung về quang dẫn 8

3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 9

3.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 10

4 Suy hao trong sợi quang 12

4.1 Định nghĩa suy hao trong sợi quang 12

4.2 Các nguyên nhân suy hao 13

5 Ứng dụng của hệ thống thông tin quang 17

5.1 Viễn thông 17

5.2 Mạng máy tính 17

5.3 Hệ thống truyền hình cáp 17

5.4 Các ứng dụng khác 17

6 Hướng đi trong tương lai 19

MỤC LỤC

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông

tin quang 6

Hình 2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 7

Hình 3.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 8

Hình 3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 9

Hình 3.3.1 Các dạng phân bố chiết suất 10

Hình 3.3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc 11

Hình 3.3.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi 11

Hình 4.1 Công suất truyền sợi quang 12

Hình 4.2.1 Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng 14

Hình 4.2.2 Độ hấp thụ OH 14

Hình 4.4.3 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại 15

Hình 4.2.4 Suy hao do tán xạ Rayleigh 16

Hình 4.2.5 Suy hao do uốn cong 16

Danh mụchình ảnh

rong thời kỳ hiện nay, việc đáp ứng

rất cần thiết và quan trọng Ngày nay các phương tiện thông tin đang phát triển ngày càng trở lên hiện đại đã giúp cho việc giao lưu thông tin văn hoá, kỹ thuật, kinh tế, quân sự ngày cang đa dạng về hình thức, phong phú về nội dung, chất lượng, kinh tế về giá cả Bên cạnh những thiết bị tiên tiến đó, để thoả mãn nhu cầu về dung lượnglớn, thời gian phát và nhận tin nhanh, chất lượng thông tin bảo đảm thì việc lựa chọn và tìm kiếm một môi trường ttruyền dẫn là điều rất cần thiết.

Chúng ta đã và đang sử dụng một số loại hình truyền dẫn thông tin như: cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba mỗi loại đều có những ưu điểm, nhược điểm riêng mà chúng ta khó có thể khác phục được.

Với những ưu điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn ở các dạng thông tin cần thiết dưới dạng tín hiệu số, cự ly

truyền thông tin đi được xa, không chịu ảnh hưởng của các nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin cao hệ thống thông tin quang được coi là có nhiều tiềm năng phát triển nhất trong mạng viễn thông.

Qua tìm hiểu về hệ thống thông tin quang, báo cáo bài tập lớn này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống thông tin quang.

Với điều kiện còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian thực hiện bài báo cáo, tìm hiểu về hệ thống thông tin quang một lĩnh vực hết sức rộng lớn không có nhiều Chắc chắn trong bài báo cáo nhóm chúng em không tránh khỏi những sai sót Nhóm em mong rằng sẽ nhận được sự góp ý của thầy.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Văn Khương đã tận tình hướng dẫn nhóm em thực hiện bài báo cáo bài tập lớn này với tất cả tấm lòng trân trọng nhất.

Lời nóiđầu

1.Lịchsử

 Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền

được theo ống nước uốn cong Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần.

 Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí.Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng.

 Năm 1934 Noman R Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang.

 Năm 1960 Theodor H Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công. Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện.

 Năm1966 Charles H KaoVà George A Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn ( 8 = 1000dB/km).

 Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km.

 Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.

Cấu trúc hệ thống thông tin quang :

2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin quang :

Sơ đồ một hệ thống thông tin được tổ chức như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang

Nguồn tin bao gồm: dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản…

Phần tử điên: có nhiệm vụ biển đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.

Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi ở đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần.

Sợi quang: là môi trường truyền tín hiệu quang Sợi quang có yêu cầu là phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ.

Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tin hiệu điện ở đầu thu.Tải tin của hệ thống thông tin quang là ánh sáng có tần số rất cao từ 1014÷1015Hz.

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Chuyển tiếp tín hiệu: trên đường truyền thi tin hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang.

Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn và cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên.

2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang :

Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông bao gồm: phần phát quang, phần thu quang và cápquang.

Hình 2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang

Phần phát quang: gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào kỹ thuật diều biến Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin Có hai loại nguồn sáng được sử dụng phổ biến trong thông tin quang là LED(Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).

Cáp quang: gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi các tác động có hại từ bên ngoài Sợi quang có 3 loại chính: sợi đơn mode, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi Tùy thuộc vào hệ thống mà sợi quang được sử là loại nào.

Phàn thu quang: có chức năng chuyển tín hiệu quang thành nguồn tin ban đầu Nó baogồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ khôi phục tín hiệu Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD.

Ngoài ra, nếu tuyến quang có cự ly dài thì còn thêm trạm lặp: bao gồm bộ thu quang, mạch điện tử khôi phục hay khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang.

Các phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh.

3 Các thành phần của hệ thống thông tin quang:

3.1 Lý thuyết chung về quang dẫn:

* Cơ sở quang học:

Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ (800 – 1600) mm.Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là: 850mm, 1300mm, 1550mm.

 Vận tốc ánh sáng: C=V λ

Trong đó: V là vận tốc ánh sáng trong môi trường

C là vận tốc ánh sáng trong chân không

λ là bước sóng

 Chiết suất của môi trường: n=C /V

Trong đó: n là chiết suất của môi trườngVì V <C nên n>1:

 Sự phản xạ toàn phầnĐịnh luật Snell: n1sinα =n2sinβ

Trong đó: n1: chiết suất môi trường 1

n2: chiết suất môi trường 2

Khi n1>n2thì α >β, nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn α Khi β=90 tức là song song với mặt tiếp giáp, thì α được gọi là góc tới hạn αT Nếu tiếp tục tăng cao

cho α >αT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ, hiện tượng này gọi là hiệntượng phản xạ toàn phần.

Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn αT:

sin αT=n2

n1 hay αT=arcsinn2

3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn:

Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang của sợi quang để làm truyền.

Hình 3.2Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn

Tia sáng thâm nhập tạo nên một góc θ với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánh sáng Tia sáng phải đi qua môi trường không khi có nk=1 rồi vào ruột sợi có n1>nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ β Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra với những tia có góc tới θ¿θmax.

Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số:

NA=sin θmax

Áp dụng công thức Snell để tính NA:Tại điểm A ta có:

nksin θmax=n1sin 90

Mà nk là chiết suất không khí (n1=1)

Để đảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì:

* Giá trị cực đại θmax gọi là góc nhận ánh sáng và θmax<√n12

−n22 để mở khẩu độ Tia sáng đi vào quang theo một góc θ>θmax sẽ bị khúc quang không thể truyền đi được.

3.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang :

 Sợi quang có cấc trúc chung bao gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thủy tinh có chiết suất lớn hơn Chiết suất của lớp vỏ không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra) Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được biết dưới dạng tổng quát như sau:

n (r )=n2[1−∆(ra)g]với|r|≤ a (trong lõi)

n1 : độ chênh lệch chiết suất

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suấta: bán kính lõi sợi

b: bán kính lớp vỏ

g: số mũ quyết định dạng biến thiên, g ≥1

Các giá trị thông dụng của g:g = 1: dạng tam giác

g = 2: dạng parabol

g = ∞: dạng nhảy bậc (SI: Step-Index).

Hình 3.3.1 Các dạng phân bố chiết suất

 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc.

Đây là sợi quang có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phòng cào đầu sợi vàgóc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau.

Hình 3.3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc

Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc:

Trong đó n1 không đổi mà chiều đài đường truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc do độ tàn sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được.\

 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Granded-Index)

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong.

Hình 3.3.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau những vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là ngắn nhất Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.

a/ Dạng giảm chiết suất lớp vỏ bọc: (Hình a).

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thủy tinh có chiết suất lớn phải thêm tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1không cao.

b/ Dạng dịch độ tán sắc: (Hình b).

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm có tán sắc triệu tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình b.

c/ Dạng san bằng tán sắc: (Hình c).

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình c.

4.Suy hao trong sợi quang:

4.1 Định nghĩa suy hao trong sợi quang:

 Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng trong sợi quang.

Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cự ly với quy luật hàm mũ tương tự như tínhiệu điện Biểu thức tổng quát của hàm mũ truyền công suất có dạng.

P(L) = P(1).10Trong đó: P(L) : Công suất cự ly tính từ đầu sợi

P(1) : Công suất đầu sợi ( L = 0 ) α : Hệ số suy hao

 Suy hao của sợi quang được tính theo công thức :Hình

4.1

A=logP 1

P 2(dB ) với P2< P 1

Trong đó: P1: Công suất quang đưa vào đầu sợi quangP2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức:

 Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất vàbước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9 ).

 Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ ánh sáng Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộcvào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm,1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang.

 Sự hấp thụ ở vùng cực tím và hồng ngoại: Do vùng ánh sáng cực tím và hồng ngoại hấp thụ ánh sáng mà bản thân ánh sáng truyền trong sợi quang năm trongvùng hồng ngoại và cận cực tím Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang.

Hình 4.2.1 Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng

Hình 4.2.2 Độ hấp thụ OH

b) Suy hao do tán sắc:

 Do tán xạ Rayleigh: Hiện tượng này xẩy ra do sợi quang sau khi chế tạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh Khi kích thước của vùng không đồng nhất bằng 1/10 λ, thì chúng trở thành những nguồn, điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ còn một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác  Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (

λ-4) nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài nhưng nó ảnh hưởng đáng kể ở bước sóng ngắn.

 Ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng từ 1 đến 2 dB ở λ = 1300nm suy hao là 0,3dB/km Còn ở λ = 1550nm suy hao nhỏ nhất Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang

 Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần.

Hình 4.2.3 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

c) Suy hao do uốn cong:

Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục,sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang.

Hình 4.2.4 Suy hao do tán xạ Rayleigh

Hình 4.2.5 Suy hao do uốn cong

5.Ứng dụng của hệ thống thông tin quang:

 Trung tâm dữ liệu sử dụng cáp quang để truyền tải dữ liệu tốc độ cao.

 Hệ thống thông tin quang trong các tòa nhà thông minh.

 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang:

 Dung lượng truyền dẫn lớn: Trong hệ thống thông tin sợi quang, băng tân

truyền dẫn của sợi quang là rất lớn (hàng ngàn THz) cho phép phát triển cáchệ thống WDM dung lượng lớn So với truyền dẫn vô tuyến hay truyền dẫndùng cáp kim loại thì truyền dẫn sợi quang cho dung lượng lớn hơn nhiều  Suy hao thấp: Suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối nhỏ, đặc biệt là

trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm Suy hao nhỏ nên sợi quang có thểcho phép truyền dẫn băng rộng, tốc độ lớn hơn rất nhiều so với cáp kim loạicùng chi phí xây dựngs mạng.

 Không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài: Bởi vật liệu của sợi

quang cách điện, không chịu ảnh hưởng của các yếu tố như điện từ trườngnên không bị nhiễu điện từ

 Độ tin cậy: Tín hiệu truyền trong sợi quang hầu như không chịu ảnh hưởng

của môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài cũng như sự xuyên âmgiữa các sợi quang Do đó sợi quang thực tế cho chất lượng truyền dẫn rất