Kỹ thuật thông tin quang doc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG PHÒNG TRUNG CẤP CHUYÊN NGHIỆP & DẠY NGHỀ #" MÔN HỌC KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIẢNG VIÊN: ThS. NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN 1 Trình bày: Ths Ths . . Nguy Nguy ễ ễ n n H H ữ ữ u u Kh Kh á á nh nh Nhân Nhân K K Ỹ Ỹ THU THU Ậ Ậ T THÔNG TIN QUANG T THÔNG TIN QUANG NỘI DUNG CHI TIẾT (45 tiết) Chương 1. KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG Chương 2. SỢI QUANG VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ KHI TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG Chương 3 .THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG Chương 4. HÀN NỐI SỢI QUANG Chương 5. ĐO THỬ SỢI QUANG Chương 6. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PDH, SDH VÀ WDM TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. ThS. Nguyễn Hữu Khánh Nhân, TT. Bài giảng kỹ thuật thông tin quang, Phòng TCCN & DN, ĐH Tôn Đức Thắng. 2. Bài giảng Truyền dẫn sợi quang, Trung Tâm Đào Tạo BCVT II. 3. Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang, Học Viện CNBC Viễn Thông. Chương 1: KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG 1.1. Khái niệm 1.2. Ưu và nhược điểm 1.3. Ứng dụng 2 1.1 Khái niệm  Thông tin quang là một hệ thống truyền thông tin qua sợi quang.Thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang,tại nơi nhận nó được biến đổi thành thông tin như ban đầu. O E O E O E §iÖn tho¹i Sè liÖu Fax TV Bé biÕn ®æi E/O LÆp ®êng d©y Sîi quang TÝn hiÖu ®iÖn TÝn hiÖu quang TÝn hiÖu quang TÝn hiÖu ®iÖn Sîi quang O/E Bé biÕn ®æi TV Fax Sè liÖu §iÖn tho¹i O E Mạch điều khiển Nguồn phát quang Tách sóng quang Chuyển đổi tín hiệu Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn sợi quang Tín hiệu điện vào Tín hiệu điện ra Các thiết bị khác Bộ biến đổi quang - điện O/E Bộ biến đổi điện - quang E/O Xen rẽ kênh Bộ chia quang Khuếch đại quang Bù tán sắc Tín hiệu quang Tín hiệu điện Sợi quang Thu quang Mạch điện Phát quang 1.1.Khái niệm Hệ thống thông tin quang  Thiết bị phát quang  Thiết bị chuyển đổi điện – quang E\O  Thiết bị thu quang  thiết bị chuyển đổi quang-điện  Ngoài ra còn một số thành phần:  Bộ ghép nối quang(connecter)  Các mối hàn  Bộ chia quang  Các trạm lặp  Bộ khuếch đại quang  Thiết bị tán sắc  Trạm xen rẽ kênh 3 1.2 Ưu nhược điểm  ƯU ĐIỂM  Suy hao đường truyền rất nhỏ α fiber =0,2 dB/km α coxial =3-5 dB/km  Băng tần đường dẫn lớn 10 3 -10 5 MHz . Km  Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ  Có tính bảo mật thông tin cao  Kích thước và trọng lượng nhỏ  Sợi có tính cách điện tốt  Sợi được chế tạo bằng vật liệu có sẵn trong thiên nhiên:thạch anh  NHƯỢC ĐIỂM  Hàn nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại  Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần phải có dây đồng trong sợi quang  Khi có khí ẩm lọt vào cáp thì sợi quang sẽ chóng bị lão hóa và các mối hàn sẽ chóng hỏng 1.3. Ứng dụng  Mạng đường trục quốc gia  Đường trung kế  Đường cáp thả biển xuyên quốc gia  Đường truyền số liệu  Mạng truyền hình 4 5 Q & A Q & A ? ? ? Chương 2. SỢI QUANG VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ KHI TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 2.1. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng. 2.2. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. 2.3. Quá trình đưa ánh sáng vào sợi quang 2.4. Phân bố chiết suất trong sợi quang 2.5. Mode truyền dẫn 2.6. Suy hao sợi quang 2.7. Cấu trúc Sợi quang. 2.8. Cấu trúc Cáp quang. 6 2.1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng Phổ sóng điện từ 850 nm 1300 nm 1550 nm 2.1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng  Đặc điểm của ánh sáng  Truyền thẳng ,khúc xạ và phản xạ là ba đặc tính cơ bản của ánh sáng  Vận tốc lan truyền thay đổi theo triết suất khúc xạ. Trong môi trường triết suất n thì vận tốc ánh sáng :c/n (c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không)  Định lý phản xạ A Góc tới:Φ i Góc phản B xạ : Φ r Mặt gương Đường đi ngắn nhất Đường đi khác 0 B ’ Định lý phản xạ 2.1 Nguyên lý truyền ánh sáng  Định luật khúc xạ n1.sinφ1 =n2.sinφ2  Sự phản xạ tòan phần - n1 < n2 thì Φi > Φ tia khúc xạ gãy gần với pháp tuyến. - n1 > n2 thì Φi < Φ tia khúc xạ gãy xa với pháp tuyến. Khi tăng Φi thi Φ cũng tăng. Khi Φ=90 0 thì Φi gọi góc tới hạn Φc. Nếu tiếp tục tăng Φi > Φc thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ. Hiện tuợng này là phản xạ tòan phần . Khi Φi=90 0 thì SinΦc=n2/n1 Ví dụ: Φ t Φ t B Φ t C Φi Φi B ’  i Tia sáng A Tia sáng A ’ (a) Trường hợp n 1 < n 2 Môi trường có chiết suất n 1 Môi trường có chiết suất n 2 Môi trường có chiết suất n 1 Môi trường có chiết suất n 2 B C Φ t Φ t Φi Φi B ’ C Tia sáng A ’ Tia sáng A (b) Trường hợp n 1 > n 2 Môi trường có chiết suất n 1 Môi trường có chiết suất n 2 B C(C ’ ) Φi Φi B ’ Tia sáng A ’ Tia sáng A (b) Trường hợp n 1 > n 2 Φ Định luật khúc xạ 7 2.2. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang n 2 n 2 n 1 > n 2 b a 0 a b 10μm 125μm Lõi n1 Lớp bọc n2 Lớp bọc n2 Theo hiện tượng phản xạ tòan phần. Sợi quang được chế tạo gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc có chiết suất n2 (với n1>n2). Ánh sáng sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ tòan phần) trên tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó ánh sáng truyền được trong sợi có cự ly dài. 2.3. quá trình đưa ánh sáng vào sợi quang  n 0 Sin θmax = n1 sin(90 0 - θc) (n 0 =1) => Sin θmax = n1 sin(90 0 - θc)  Sin (90 0 - θc) = cos θc = n2/n1  Góc mở lớn nhất khi n1=n2  NA = Sinθmax =  Sinθmax = n1 với Δ là độ lệch chiết suất tương đối Δ= (n 2 1 – n 2 2 )/ 2n 1 2 n 2 n 2 Khoảng góc có thể thu đựơc n o = 1 θ c 90 o Góc tới hạn 90 o - θ c θ t 2 1 3 3 2 1 θ max θ max (1): Ánh sáng lan truyền vào vỏ (2): Ánh sáng tương ứng với góc tới hạn (3): Ánh sáng lan truyền trong lõi và bị phản xạ toàn phần 2 2 2 1 nn  2 Sự phản xạ tòan phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn θmax. Sin của góc tới hạn này gọi là khẩu độ số NA = Sinθ max 2.4. Phân bố chiết suất trong sợi quang  Sợi quang có chiết suất bậc nhảy(SI)  Chiết suất của lõi và vỏ khác nhau rõ rệt như hình bậc thang  Tia sáng truyền trong lõi sợi có cùng vận tốc mà đường truyền khác nhau nên dẫn tới hiện tượng khi xung sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn,đây là hiện tượng tán sắc.(không truyền được tốc độ cao và cự ly dài)  Sợi quang có chiết suất giảm dần(GI)  Chiết suất của lõi phân bố theo hình parabol nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần n 2 n 2 n 1 > n 2 b a 0 a b Sự truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) n 2 n 2 b a 0 a b Sự truyền ánh sáng trong (GI) n 1 n 2 n(r) n 1 (r) 8 2.5. Mode truyền dẫn  Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode truyền dẫn trong sợi.  Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. Khi truyền trong sợi ánh sáng truyền đi nhiều đường, có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng.  Số mode được truyền phụ thuộc vào các thông số của sợi quang. Số mode N được tính như sau: : bước sóng a: bán kính lõi sợi NA: khẩu độ số g: số mũ trong hàm chiết suất VD: Xác định số mode truyền dẫn trong một sợi quang lọai GI (g=2), với đường kính lõi sợi d=50 µm, NA=0.2, bước sóng λ=1 µm. 2 2 ( . . ) . 2 2 a NA g N g      2.5. Mode truyền dẫn  Sợi đơn mode:Chỉ có một mode sóng truyền trong sợi  Đường kính lõi: d = 2a = 10 µm  Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125 µm  Độ chênh lệch chiết suất Δ = 0,003 = 0,3%  Chiết suất lõi n =1.46  Sợi đa mode:Sợi có đường kính lõi lớn nên số modde truyền dẫn cũng lớn  d = 2a = 50um  D = 2b =125 um  Δ = 1%  N =1,46 10μm n 1 n 2 ∆ = 0,3% Kích thước sợi đơn mode 125μm 50μ m n 1 n 2 ∆ = 1% Kích thước sợi đa mode SI 125μm 50μ m n 1 n 2 ∆ = 1% Kích thước sợi đa mode GI 125μm Các lọai sợi cáp quang thông dụng 9 2.6 Suy hao sợi quang  Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ,biểu thức  P 0 __ công suất ở đầu sợi(z=0)  P(z) công suất ở cự ly z so với đầu sợi  α: hệ số suy hao  Hệ số suy hao trung bình : A là suy hao của sợi  Suy hao:  Suy hao bên ngoài bản chất sợi: suy hao do ghép nối nguồn quang ,linh kiện thu với sợi quang,giữa nguồn quang với nguồn quang, do uốn cong và giới hạn.  Suy hao bản chất sợi: do tán xạ,do bức xạ năng lượng ánh sáng. VD: - tính tóan suy hao do mối nối - tính tóan suy hao do hiệu suất ghép quang z PzP 10 0 10)(    L z 01 PP  )( 2 LPP  )( )( )/( kmL dBA kmdB   2.6 suy hao sợi quang  Suy hao hấp thụ  Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệu sợi và được biến đổi thành nhiệt gây suy hao quang mà không lọt ánh sáng ra ngoài  Sự hấp thụ củacác kim loại:sắt(Fe),đồng(Cu),mangan(Mn),Cobal(Co),Niken(Ni) .Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào tạp chất và bước sóng truyền (tạp chất có trong thủy tinh)  Sự hấp thụ củaOH: Sự có mặt của OH cũng gây ra độ suy hao đáng kể (do độ ẩm gây ra)  Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại: sự hấp thụ xảy ra ngay cả đối với thủy tinh có độ tinh khiết cao trong quá trình chế tạo. Suy hao hấp thụ cực tím và hồng ngoại Suy hao tán xạ rayleigh và hấp thụ ion 0,94μa m 1,38μm 1,24μm Năm 1977 Năm 1978 Năm 1979 Suy hao do tán xạ rayleigh Suy hao hấp thụ cực tím Cửa sổ thứ nhất Cửa sổ thứ hai Cửa sổ thứ ba Suy hao hấp thụ hồng ngoại 1.4 μm 1.5 μm 1.2 μm1.0 μm0.8 μm 0.1 1 5 50 100 Suy hao quang dB/km Suy hao do tán xạ rayleigh Các đặc tính suy hao của loại sợi quang thạch anh [...]... Theo in mụi Si quang thch anh: thch anh nguyờn cht(SiO2) v B,F,Ge Si quang thy tinh a vt liu: sodalime,thy tinh Si quang bng nha Theo mode truyn dn Si a mode Si n mode Theo ch s chit sut khỳc x Si quang chit sut bc Si quang chit sut liờn tc 2.9 Cu to Cỏp quang Cu to 1.phn t gia cng 2.Si quang v ng bc lng 3.Si dõy ng 4.si thy tinh aramit trn h dớnh 5.v nhụm 6.v bc polietylen Sợi quang và ống bọc... Creating Optical Fiber Vapor Chamber Soot Preform Heated - Consolidation Bait Rod Drawing Tower Retains Proportions Finished Preform Plastic Coating Applied Video clip ch to si quang ? Q&A ?? Chng 3 LINH KIN BIN I QUANG IN KI BI I 3.1 Tng quỏt 3.2 Thit b phỏt quang 3.3 Thit b thu quang 15 3.1 TNG QUT Linh kin c t 2 u si quang - Linh kin bin i in quang - Linh kin bin i quang in Cht lng ca linh kin quang. .. tớn hiu quang tng ng v phỏt tớn hiu quang ny vo trong si quang thc hin truyn dn thụng tin Thnh phn: ngun phỏt quang( õy l thnh phn quan trng nht) B iu ch:chuyn i d liu t dng tớn hiu in sang tớn hiu quang Mode ghộp si:a tớn hiu t cng phỏt vo trong si quang Mch in t :cung cp dũng cho ngun quang B ghộp kờnh s X lý mó gi LASER, LED Mch iu khin nh sỏng a vo si Mch iu khin cụng sut Mch hi tip quang B... Cụng sut quang phỏt: cụng sut do LED phỏt ra t 1 n 10 mW, ln nht 50 mW Gúc phỏt quang: 5-100 theo phng ngang, 400 theo phng vuụng gúc Hiu sut ghộp quang: 30-50% cho si SM v 60-90% cho si MM tng hiu sut ghộp thờm h thu kớnh rng ph: hep hn so vi LED Thi gian chuyn lờn nh hng nhit Mch phỏt quang dựnh laser Giao tip in X lớ in Mch kớch thớch Thm dũ quang Ngun quang Gai nhit Giao tip quang Si quang Thm... feedback Chng 4 THIT B THU QUANG THI B 4.1 Chc nng v nhim v 4.2 Cu to 4.3 Linh kin thu quang 4.1 Chc nng v nhim v B bin i quang in: L b tỏch súng photodiode bin i cụng sut quang thu c thnh dũng in ti u ra Nhim v: b thu quang phi m bo thu c tớn hiu rt yu,b mộo v phi tỏch c thnh phn nhiu khỏ ln so vi tớn hiu B tỏch súng quang B khuch i in Mch x lý tớn hiu h v PD RL Tin khuch i B thu quang khuch i chớnh... l vai trũ ca tỏn sc si Nng lc ca h thng n kờnh quang thng b hn ch bi tỏn sc vn tc nhúm GVD Nhng s hn ch ny cng cú trong h thng WDM 6.H thng thụng tin quang ti Vit Nam nc ra hin nay cỏp quang dang ngy cng phỏt trin v cú v trớ quan trng:h thng cỏp quang H NI-TP HCM chim mt v trớ quan trng trong thụng tin ton quc V trớ ca si quang trong mng thụng tin hin nay: Mng ng trc xuyờn quc gia Mng... bc lừi Cu trỳc si quang 2.8 Cu to Si quang Lp v Tỏc dng:tng cng sc chu ng ca si quang di tỏc dng ca c hc,thay i ca nhit Si quang Lp ph 1,2 2mm ng m Cỏc dng: Dng ng m lng Chtnhi Cu trỳc ng m lng (Loose buffer) Si quang (ó c bc lp ph) c t trong mt ng m cú ng kớnh ln hn kớch thc si quang ng m lng lm t polyester hay polyamide, c nhum mu ỏnh du Trong mt ng m cú th cú nhiu si quang (2-12 si) Cỏp... B ghộp kờnh s X lý mó gi LASER, LED Mch iu khin nh sỏng a vo si Mch iu khin cụng sut Mch hi tip quang B bin i in - quang B phỏt quang 3.2.2 Ngun quang Linh kin dựng lm ngun quang: Diode phỏt quang hay LED(light emitting diode) Diode laser hay LD(laser diode) C E g hv h C ch phỏt quang Nng lng ỏnh sỏng phỏt ra: hC 1,24 Bc súng ỏnh sỏng phỏt ra E g E g (eV ) E2 Mức năng Năng lượng Năng lượng... B quyt nh: Thit b thu quang Chc nng: Ti b thu súng tớn hiu quang t phớa phỏt i ti c bin i thnh tớn hiu in,ri c khuch i v c hi phc thnh tớn hiu cựng dng nh u vo tớn hiu phỏt quang C ch: Bin i trc tip tớn hiu quang thnh tớn hiu in(hiu ng quang in) Hiu ng cm nhit: Bin i nng lng quang thnh thnh nng lng nhit sau ú bin i nng lng nhit thnh nng lng in Nguyờn lý chuyn i tớn hiu quang thnh tớn hiu in Điện... trờn LED 1,5 V n 2,5 V Cụng sut quang phỏt: cụng sut do LED phỏt ra t 1 n 3 mW, ln nht 10 mW Gúc phỏt quang: mc cụng sut quang gim mt na (3db) so vi mc cc i Hiu sut ghộp quang: t s cụng sut ghộp vo si so vi cụng sut phỏt quang tng cng ca ngun rng ph: l khang bc súng m trong ú cụng sut quang khụng nh hn phõn na mc cụng sut nh Thi gian chuyn lờn nh hng nhit Mch phỏt quang dựng LED Vdc +9 Vdc C1 Tớn . niệm  Thông tin quang là một hệ thống truyền thông tin qua sợi quang .Thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang, tại nơi nhận nó được biến đổi thành thông tin. QUANG Chương 4. HÀN NỐI SỢI QUANG Chương 5. ĐO THỬ SỢI QUANG Chương 6. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PDH, SDH VÀ WDM TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. ThS. Nguyễn Hữu Khánh Nhân, TT. Bài giảng kỹ thuật thông tin quang, . Thắng. 2. Bài giảng Truyền dẫn sợi quang, Trung Tâm Đào Tạo BCVT II. 3. Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang, Học Viện CNBC Viễn Thông. Chương 1: KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG 1.1. Khái niệm 1.2. Ưu và