Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang

Chương 1: Tổng quan về sợi cáp quang1.1 sự phát triển của hệ thống thông tin quang 1.1.1 khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang khác với thông tin vô tuyến và hữu tuyến các loạ

BÀI TIỂU LUẬN THÔNG TIN QUANG

Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang

Mục lục:

Chương 1: Tổng quan về sợi cáp quang

1.1 sự phát triển của hệ thống thông tin quang

1.1.1 khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang

khác với thông tin vô tuyến và hữu tuyến các loại thông tin sử dụng các môitrường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin quang là một hệ thống truyền thông tin qua sợi quang Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và ánh sáng sau đó được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu

các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng, màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng , các đèn báo hiệu sau đó, năm 1971, V.C.Chape phátminh ra máy điện báo quang

Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết Năm 1838, Samuel F.B.Mose phát minh ra máy điện báo Sau đó, dịch vụ điện bapso thương mại đầu tiên được đưa vào khai thác năm 1844 và dần tăng lên với số lượng đáng kể Năm 1878 người ta tiến hành đặt các cáp kim loại đề nối tổng đài điện thoại đầu tiên tại Neu Haven bang Connecticut Giai đoạn sử dụng cáp kim loại đểtruyền dẫn tín hiệu ngự trị cho tới năm 1887, khi mà H.Herto phat minh ra

sự phát xạ sóng điện từ có bước sóng dài và Guliclmo Marconi thực hiện màn trình diễn sóng vô tuyến vào năm 1985

Những năm tiếp sau và trong thế kỷ 20, mạng lưới điện thoại đã phát triển rộng khắp thế giới và liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trong việc thiết kế các hệ thống thông tin điện trước tiên phải nói đến cáp đồng trục, đã làm tăng dung lượng đáng kể Năm 1940, hệ thống cáp đồng trục được lắp đặt có băng tần 3MHz để truyền dung lượng 300 kênh thoại hoặc một kênh truyền hình Các hệ thống sau đó có băng tần 10MHz, nhưng đây cũng là giới hạn của hệ thống này vì suy hao cáp bị phụ thuộc vào tần số giới hạn này nhanh chóng được giải tỏa do sự xuất hiện của các hệ thống thông tin vô tuyến

Xu hướng sử dụng phổ sóng điện từ đề biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên,

ở đây tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác

có dạng hình sin, hay còn gọi là sóng mang Lượng thông tin được phát đi cóliên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng mang hoạt động, như vậy tăng tần

số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ có được dung lượng thông tin lớn hơn

Xuất phát từ đó, các hệ thống thông tin điện có được cơ hội để phát triển vàsau này lần lượt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rada, các tuyến viba Hệ thống thông tin viba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4GHz đã được

đưa vào khai thác năm 1948 và sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếptục được lắp trên mạng lưới cùng với sự phát triển của các hệ thống viba, các hệ thống cáp đồng trục cũng được lắp đặt để hoạt động với tốc độ bit 100m bit/s Theo thời gian, tốc độ bít tăng lên, có thể cho cự ly xa hơn nhưng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang.

Để thấy được quá trình sử dụng phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông tin điện, có thể khảo sát bảng phân cấp sóng điện từ

Hình 1.1.phân cấp sóng điện từ

Hình 1.1.sự tăng của tốc độ bit-cự ly

Cho tới ngày nay đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dưới các hình thức

đa dạng Các hệ thống này được gán cho tên gọi nhất định theo môi trường truyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống thông thường, các hệ thống sau đều là sự phát triển kế thừa từ các hệ thống trước nó, chúngđược cải thiện nhằm thỏa mãn nhu cầu con người

Bước ngoặt có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng đó là việc phát minh ra Laser, vào năm 1960 để làm nguần phát quang Sự kiên này gây ra sự cuấn hút đặc biệt các nhà nghiên cứu hàngđầu về thông tin trên thế giới và tạo ra các ý tưởng tập trung tìm tòi giải pháp sử dụng ánh sáng Laser cho thông tin quang Đây chính là điểm xuất phát của sự ra đời của các hệ thống thông tin quang

1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác, thông tin được phát triển rất nhanh sóng điện từ với các dải tần số khác nhau từ các MHz đến hàng trăm terahec Còn thông tin quang được thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin

Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng việc phát minh thành công Laser năm 1960 bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp sau 4 năm sau,

Kaprow đã có thể chế tạo các sợi quang trong suất có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km tiếp sau đó các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới

đã bắt đầu tiến hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển kết quả là công nghệ mới về giảm suy hoa truyền dẫn, tăng dải thông, các laser bán dẫn đã được phát triển thành công Cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt mức suy hao nhỏ, giá trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua, Dựa vào các công nghệ sợi có độ dày như sợi tóc không cần đến các bộ tái tạo

Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới chúng đáp ứng được các tín hiệu tương tự(analog) và số (digital) chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN) Các hệ thống tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao

Thực tế thông tin quang đang vào giai đoạn kết thúc thế hệ thứ tư và bắt đầu thế hệ thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng dụng khuếch đại quang trên diện rộng Các hệ thống thông tin quang đã được triển khai thử nghiệm thành công với những đặc tính như tốc độ

1,2Tbit/s, hay truyền dẫn Siliton cự ly 9400km tại tốc độ 70Gbit/s

Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển của thông tin cáp sợi quang.

Rõ ràng thông tin quang luân mang lại điều bất ngờ trong sự phát triển công nghệ

1.1.3 Các đặc tính của thông tin quang

Trong thông tin sợi quang các ưu điểm của sợi quang được sử dụng một cách có hiệu quả, độ suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn thêm vào đó, chúng có thể được sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiều cảm ứng sóng điện từ Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin có hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay Cùng với công nghệ chế tạo các nguần phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với thông tin cáp kim loại

Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly đến 100Ghz/km Tương ứng, bằng cách sử dụng sợi quang một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể truyền dẫn đến những địa điểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến bộ tái tạo Thứ hai, sợi quang có kích thức và trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm

Do vậy chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay, các tòa nhà cao tầng không cần lắp đặt thêm các đường ống và cống

cáp Không gây xuyên âm giữa giữa các sợi quang nên bảo đảm tính bảo mật.

Thứ ba, sợi quang được chế tạo từ thủy tinh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước axit, kiềm không sợ ăn mòn ngay cả khi lớp bảo vệ ngoài bị hư hỏng Hoàn toàn cách biệt, không bị chập mạch gây cháy hay hỏa hoạn

Thứ tư vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi sự can nhiễu của sóng điện từ, xung điện từ Vì vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân

Thứ năm, do nguyên nhân chủ yếu để sản xuất sợi quang và chất dẻo, là những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên có kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều giá thành của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Ngoài ra như đã đề cập ở trên, do đặc trưng độ tổn hao thấp giá thành lắp đặtban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng, sửu chữa thấp vì cần ít các bộ tái tạohơn Người ta tính toán rằng nếu chế tạo được 10.000k/năm thì giá thành 1

hệ thống truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn cáp kim loại có cùng năng lượng truyền dẫn

Ngoài những ưu điểm trên, sợi quang còn có độ an toàn bảo mật cao, tuổi thọ dài,có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa hơn nữa lại không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần, có thế chế tạo với giá thành thấp

Bảng 1.2.Các ưu nhược điểm của sợi quang

Nhờ những ưu điểm này mà sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, số liệu máy tính, phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng), được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế, quân sự, các thiết bị

đo Và do đó các hệ thống thông tin quang nhanh chóng được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài Đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, cho tới các thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương

1.1.4 các thành phần chính của thông tin quang

Cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần:

Hình 1.2.Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang (bộ phát

quang), cáp sợi quang, thiết bị thu (bộ thu quang) Ngoài các thành phần chủyếu này tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang, các mối hàn, các bộ chia quang, các trạm lặp ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù ánh sáng, các trạm xen rẽ kênh tất cả tạo thành 1 tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Độ dài của tuyến thông tin này phụ thuộc vào các điều kiện lắp đặt và suy hao sợi quang theo bước sóng Tham số quyết định đó là suy hao sợi quang theo bước sóng Các nghiên cứu về công nghệ sợi quang còn cho biết rằng, suy hao sợi quang ở các vùng bước sóng dài còn nhỏ hơn nữa

Thiết bị phát quang gồm mạch điều khiển và nguần phát quang Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết

bị phát này sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng

Công suất phát quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ dòng điều biến công suất phát quang là tham số quan trọng vì nó góp phần xác định suy hao sợi quang hoặc quỹ công suất trên truyền được phép là bao nhiêu

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguần phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang tới thiết bị thu quang Bộ tách sóng quang trong thiết bị thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện các photo diode pin và photo diode thác APD đều được sử dụng làm bộ tách sóng quang Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới cự ly nào đó tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều cần phải có trạm lặp quang, trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang chuyển thành tín hiệu điện, khuếch đại nó rồi lại chuyển thành tín hiệu quang rồi phát vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang được thay thế cho trạm lặp Nó khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không thông qua biến đổi quang-điện Trên tuyến truyền dẫn dài đi qua một số điểm cần thông tin với nhau cần có trạm xen rẽ kênh Các thiết bị này có thể tách kênh hoặc ghép xen thêm kênh tại nơi muấn gửi thông tin

1.2 Sợi quang

2.1.1 cấu tạo sợi quang

Sợi quang là những dây nhở và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại Sợi quang có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ

Vỏ bọc ở phía ngoài bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý Để bọc ngoài, dùng các nguyên liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn, vật liệu cấu tạo lõi thông thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ (lớp bọc đầu tiên) có thể là thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt

Hình 1.3.Cấu tạo của sợi quang

Sợi quang thường có tiết diện tròn, đường kính từ 100-400 Mm Phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1 bán kính là a, đường kính là dk Phần vỏ chiết xuất n2(trong đó n2<n1) bao xung quanh lõi đường kính dm Các thông số n1,n2,a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, đó được gọi

là tham số cấu trúc

Độ lệch chiết suất n=n1-n2

Độ lệch chiết suất tương đối

Hai tham số này quy định đặc tính truyền dẫn của sợi quang Sợi quang đã trở thành 1 phương tiện thông dụng cho nhiều yêu cầu truyền thông Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp truyền dẫn thông thường như: Dung lượng lớn, kích thước và trọng lượng nhỏ, không bị nhiễuđiện, cách điện, bảo mật, độ tin cậy cao, dễ bảo dưỡng, linh hoạt Tuy nhiên cũng có những nhược điểm cần kiểm tra trước khi lắp đặt như Vấn đề biến đổi điện quang, yêu cầu lắp đặt đặc biệt quy trình sủa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên và thiết bị thích hợp

1.2.2 Phân loại sợi quang

a.phân loại theo sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi

b phân loại theo mode truyền dẫn

Mode truyền dẫn là sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi, mô tả dưới dạng sóng điện từ truyền dẫn Mỗi mode truyền dẫn là 1 mẫu các đường điện

và từ trường được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở khoảng cách tương đương bước sóng có 2 loại:

+) Sợi đa mode: cho phép truyền nhiều mode truyền dẫn trong nó +) Sợi đơn mode: cho phép một mode truyền dẫn trong nó

c phân loại theo cấu trúc vật liệu

Hình 1.4 Cấu trúc các loại sợi quang

Bảng 1.2.Sự phân loại sợi dẫn quang

1.2.3 Truyền ánh sáng trong sợi quang.

Để dễ dàng nhận thấy quá trình tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang, ta hãy xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode

có chỉ số chiết suất phân bậc, vì kích thước của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng mà ta xét tới Để đơn giản ta xét 1 tia sáng đặc trưng thuộc về loại tia tương hợp thể hiện là sợi mode

Có hai loại tia có thể truyền dẫn trong sợi quang là các tia kinh tuyến và tai nghiêng Tia kinh tuyến là tia xác định mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi cóhai lại tia kinh tuyến: là tia biên (tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo

hướng dọc theo trục lõi sợi) và tia bên ngoài (tia bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi) Tia nghiêng lại không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào mà nó truyền lại từng đoạn xoắn dọc theo sợi

Hình 1.5 Các tia kinh tuyến và tia nghiêng

CHƯƠNG II: TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG

bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm.Tán sắc gây ra do tăng BER: