đồ án kỹ thuật viễn thông Tổng quan về hệ thống truyền tải thông tin quang trên sợi quang.

Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA:ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Tổng quan về hệ thống truyền tải thông tin quang trên sợi quang. Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Nam Quân Sinh viên thực hiện : Tạ Ngọc Hải Lớp : K11D Hà Nội Ngày 22 tháng 02 Năm 2012 SV: Tạ Ngọc Hải 1 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội Mục lục Phần 1:Tổng quan về hệ thống thông tin quang. Lời mở đầu. 1.1 Lịch sử ra đời vàphát triển. 1.2 Sơ đồ chung Phần 2:Sợi quang và cáp quang. Chương 1. Sợi dẫn quang 1.1 Nguyên lý truyền dẫn. 1.2 Cấu trúc của sợi dẫn quang và các mode truyền dẫn. 1.2.1 Đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng trong sợi . 1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang 1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang 1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang 1.3.1 Đặc điểm 1.3.2 Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau : Chương 2. Cáp quang 2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang 2.1.1 Bảng các đặc tính vật liệu dùng làm lõi : 2.1.2 Bảng các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường 2.2 Cấu tạo chung của cáp . 2.3 Ưu điểm và nhược điểm Phần 3:Các thiết bi thu phát quang. Chương 1. Các thiết bị phát quang 1.1 Điôt phát quang LED 1.1.1 Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) 1.1.2 Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau 1.2 Vật liệu của nguồn phát quang 1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang 1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang 1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang 1.3 Ứng dụng SV: Tạ Ngọc Hải 2 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội 1.4 Bảng các đặc tính ELED tiêu biểu 1.5 Điôt Laser Chương 2. Cáp quang 2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang 2.1.1 Bảng các đặc tính vật liệu dùng làm lõi : 2.1.2 Bảng các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường 2.2 Cấu tạo chung của cáp . 2.3 Ưu điểm SV: Tạ Ngọc Hải 3 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội Phần I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Lời mở đầu Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự các hệ thống thông tin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung .Đây là nguyên lý mà loài người đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền đi được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cầu truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở đấy chính là sợi dẫn quang ,nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tia từ phía phát tới phía thu. 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Vào năm 1960, việc phát minh ra Laserddeer làm nguồn phát quang đx mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng .Theo lý thuyết thì nó cho phép thực hiện thông tin với lượng kênh rất lớn vượt rất nhiều lần các hệ thống Viba hiện có. Hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó. Một số kết quả thu được nhưng tiếc rằng chi phí quá tốn kém, kinh phí tập trung vào sản xuất các thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết (mưa, tuyết ) gây ra là rất lớn, chính vì vậu nó chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới.Một hướng nghiên cứu khác cùng thời gian này là đã tạo được hệ thống thông tin đáng tin cậy hơn huướng thông tin khí quyển đó là sự phát minh ra sợi quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đã tạo ra được một mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt khả thi hơn .Tiếp theo là KAO,Hockman và Werts năm 1966đã nhận thấy sự suy hao cua sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo. Những nhận định đó đã được sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970. Suy hao nay cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng đó các sợi SV: Tạ Ngọc Hải 4 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội dẫn quang có suy hao nhỏ lần lượt ra đời. Đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm. Và bây giờ sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ khoảng 0,154ds/Km tại bước sóng dài hơn là 1550nm thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hai thập niên qua. Giá trị suy hao này đã gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mốt là 0,14ds/Km . Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin các kim loại là: - Suy hao truyền dẫn. - Băng tần truyền dẫn rất lớn. - Không bị ảnh hưởng của nhiều điện từ. - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. - Có kích thước và trọng lượng nhỏ. - Sợi có tính cách điện tốt. - Tin cậy và linh hoạt. - Sợi được chế tạo từ vật liệu rất có sẵn. Do các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rải trên mạng lưới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đường trục trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần đây gọi là SONET (Sunchronceus optical Network), tốc độ truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một lưu lượng ghép kênh số trên sợi quang. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự (Analog) và số (diegital), SV: Tạ Ngọc Hải 5 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. Bảng tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản. Phân cấp Khối Bắc Mỹ Khối Châu Âu Nhật Bản Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại 1 2 3 4 5 1,544 6,312 44,736 274,176 274,176 24 96 672 4032 4032 2,048 8,448 34,368 139,264 565,184 30 120 480 1920 7680 1,544 6,312 32,064 97,728 396,200 24 96 480 1440 5760 Bảng các mức phân cấp tín hiệu SONET Mức OC - 1 OC - 3 OC - 9 OC- 12 CO- 18 OC-24 OC-36 OC-48 Tốc độ truyề n Mbit/ s 51,84 155,5 2 466,5 6 622,0 8 933,1 2 1244,1 6 1866,2 4 2488,3 2 Cấu trúc và thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang. SV: Tạ Ngọc Hải 6 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất đó, ta xét cấu trúc của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau: - Phần phát quang. - Cáp sợi quang. - Phần thu quang. Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp vở bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuếch đại, tái tạo tín hiện hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang Counetor, các mối hàn, các bộ nối quang, chia quang và trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. 1.2 Sơ dồ chung SV: Tạ Ngọc Hải 7 Nguồn phát quang Các thiết bị khác Khuếch đại Bộ thu quang Trạm lặp Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Bộ nối quang Sợi dẫn quang Mối hàn sợi Bộ chia quang Phát quang Mạch điện Thu quang Khuếch đại quang Chuyển đổi tín hiệu Đầu thu quang Tín hiệu điện ra Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội PHẦN II SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG Chương 1. Sợi dẫn quang 1.1 Nguyên lý truyền dẫn Bản chất của ánh sáng có thể coi là một chùm các phần tử lại rất nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như đang đi theo một đường thẳng và thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. Quan điểm này đã mô tả đầy đủ các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ như hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Vào năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ. Hơn thế khi quan sát các hiệu ứng về phân cực người ta thấy sự chuyển động của sóng luôn vuông góc với hướng của sóng đi, điều đó nói lên sóng ánh sáng là sóng ngang. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng chủ yếu dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường đặc hoá sang môi trường loãng hơn. Cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n 1 sang môi trường có chiết suất n 2 (n 2 < n 1 ); Tia tới 91) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách SV: Tạ Ngọc Hải 8 2 P β (1) n 2 n 1 (2) 1 P n 2 n 1 α T Vùng phản xạ toàn phần Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội giữa hai môi trường một góc tới là α. Khi sang môi trường thứ hai, tia sáng bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P một góc khúc xạ β các đại lượng này đều tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n 1 sinα = sinβ ứng với góc tới hạn αT thì góc khúc xạ β = 90 0 lúc này sinαT = Vậy điều kiện để xây ra phản xạ toàn phần là: các tia sáng phải đi từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn và góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn. 1.2 Cấu trúc của sợi dẫn quang và các mode truyền dẫn. 1.2.1 Để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng trong sợi thì trước hết cấu trúc của nó phải là một ống dẫn nóng hoạt động ở dải tần quang, có dạng hình trụ làm bằng vật liệu thủy tin có chỉ số chiết suất n 1 lớn và bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n 2 < n 1 . Vật liệu cấu tạo lõi sợ thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thủy tinh hay chất dẻo trong suốt. Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi. - Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc (SI - Step Index). - Loại sợi có chỉ số chiết suất Gradien (GI). - Loại sơi phân chia theo mode truyền dẫn. Mode ở đây chính là sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn. Mỗi một mode truyền dẫn là một mẫu các trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng. SV: Tạ Ngọc Hải 9 n 2 n 1 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội 1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang . SV: Tạ Ngọc Hải 10 r n 2 n 1 n (Sợi đa mode chiết suất biến đổi SI - MM xung vào xung ra n 2 n 1 n (Sợi đơn mode SM) xung vào xung ra r xung vào n 2 n 1 n (Sợi đa mode chiết suất bậc SI - MM xung ra [...]... Nội 1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang Danh mục Loại sợi Phân loại theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc - Sợi có chỉ số chiết suất Gradien Phân loại theo Mode truyền dẫn - Sợi đơn Mođe - Sợi đa Mode Phân loại theo cấu trúc vật liệu - Sợi thủy tinh - Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo - Sợi thủy tinh nhiều thành phần - Sợi chất dẻo 1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang: Nhìn chung chúng... Ngoài ra cáp quang còn có một số nhược điểm về tính chất và kỹ thuật đó là vì thành phần lõi là sợi quang rất giòn, dễ gãy do tác động giãn nở kéo dài Còn về phương diện truyền nóng thì nếu cáp uốn cong ngoài yêu cầu cho phép thì sẽ dẫn đến sự suy hao thông tin truyền trong cáp Ngoài ra ưu nhược điểm của cáp quang còn phụ thuộc vào sự phân loại sử dụng cáp theo yêu cầu kỹ thuật như cáp truyền dẫn đường... méo tín hiệu trong các sợi đơn Mode - Suy hao do méo Mode - Suy hao do ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn trên sợi quang SV: Tạ Ngọc Hải 15 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội Chương 2 Cáp quang 2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang Cũng như cáp kim loại ,cáp quang c ũng có những yêu cầu ,đặc điểm cần phải đáp ứng trước hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của... Sức bền và độ mỏi là hai đặc tính cơ bản của sợi quang Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh nên nó cũng dễ vỡ như gương kính và các loại thủy tinh thông thường khác và như vậy sợi quang không phải là sản phẩm chịu lực khoẻ Song ứng suất phá vỡ theo chiều dọc của nó có thể so sánh được với các dây kim loại Lực liên kết của các nguyên tử cấu tạo nên sợi dẫn quang SV: Tạ Ngọc Hải 12 Báo cáo thực tập Viện... Nội 2.1. 2Quan hệ giữa tuổi thọ và độ dài khuếch tán như sau: Ln = (Dn τn) 1/2 và Lp = (Dp τp)1/2 Với Dn là hệ số khuếch tán điện tử Dp là hệ số khuếch tán lỗ trống được đo bằng centimet vuông trên giây Bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo hàm mũ sau P(x) = P0(1 - e -αs (λµ); ở đây αs (λ) là hệ số hấp thụ tại bước sóng λ,P0 là mức công suất quang tới, và P(x) là công suất quang được... Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau : - Sợi thuỷ tinh :Chủ yếu dùng dioxit Silic (SiO2) - Sợi thuỷ tinh Halogen :Là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn SV: Tạ Ngọc Hải Báo cáo thực tập 14 Viện đại học mở Hà Nội - Sợi thuỷ tinh tích cực :Là sự kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thụ động bình thường thuỷ tinh: - Các loại sợi vỏ chất dẻo :Vỏ... nội hạt hay là trên mạng trung kế và theo yêu cầu về địa lý như cáp chôn trong cống, cáp thả dưới nước SV: Tạ Ngọc Hải 18 Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội PHẦN III CÁC THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG Chương 1 Các thiết bị phát quang 1.1 Điôt phát quang LED 1.1.1 Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) là một loại nguồn phát quang cho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa Mode Có... bộ tạo nên sợi dẫn quang dài và mảnh, chúng có vai trò truyền tính hiệu thông tin ở cự ly xa và tốc độ lớn nên phải được cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất của chúng Nhưng trong thực tế, sợi dẫn quang lại phải chịu những ứng suất và lực căng trong quá trình bọc cáp, quá trình lắp đặt cũng như khai thác ở các môi trường thực tế Vì vậy, ngoài các đặc tính truyền dẫn của sợi dẫn quang, các... các sợi quang dài nằm trong khoảng 700 đến 3500 MPa Lực gãy nứt của độ dài sợi đã cho được xác định dựa vào kích cỡ và cấu trúc hình học của vết nứt nghiêm trọng nhất trên sợi Ví dụ một kiểu vết nứt cơ học sau, nó có dạng hình elip như vậy quy về dạng chung có tên là vết rạn Griffich Nếu gọi độ rộng vết nứt là W, độ sâu là X và bán kính đầu mút là δ thì sức bền của vết rạn sợi thủy tinh có quan hệ sau:... thuộc vào thành phần của thủy tinh nhưng dự kiến nằm trong dải từ 0,6 ÷ 0,9 MN/Cai3P W x Bán kính đầu mút 0 ứng suất δ SV: Tạ Ngọc Hải Báo cáo thực tập 13 Viện đại học mở Hà Nội Hình: Mẫu giả định về vết rạn nứt trên sợi dẫn quang 1.3.1 Đặc điểm Nhìn chung, trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu nhiên cho nên lực gãy đứt phải được xác định theo thống kê Nếu gọi F(δ,L) là xác . Phần I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Lời mở đầu Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự các hệ thống thông tin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang. phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Bộ nối quang Sợi dẫn quang Mối hàn sợi Bộ chia quang Phát quang Mạch điện Thu quang Khuếch đại quang Chuyển đổi tín hiệu Đầu thu quang Tín. ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA:ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Tổng quan về hệ thống truyền tải thông tin quang trên sợi quang. Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn