Đề Án Hệ Thống Thông Tin Quang

Chơng I: Tổng quan hệ thống thông tin quang I.1 Quá trình phát triển thông tin quang Ngay từ xa dể thông tin cho nhau, ngời biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu Qua thời gian dài lịch sử phát triển nhân loại, hình thức thông phong phú dần ngày đợc phát triển thành hệ thống thông tin đại nh ngày nay, tạo cho nơi giới liên lạc đợc với cách thuận lợi nhanh chóng Trình độ phát triển cao thông tin nh hệ thống thông tin quang lên hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, triển khai nhanh mạng lới viễn thông nớc giới với đủ cấu hình linh hoạt, tốc độ cự ly truyền đẩn phong phú, đảm bảo chất lợng dịch vụ viễn thông tốt Trớc tiên việc phát minh Laser vào năm 1960 để làm nguồn phát quang mở thời kỳ có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Theo lý thuyết cho phép ngời thực thông tin với lợng kênh lớn vợt gấp nhiều lần hệ thống vi ba có Hàng loạt thử nghiệm thông tin bầu trời khí đợc tiến hành sau Một số kết thu đợc ban đầu nhng tiếc chi phí cho thí nghiệm tốn kém, kinh phí tập trung cho việc sản xuất thành phần thiết bị để vợt qua cản trở thời tiết (ma, sơng mù, tuyết, bụi ) gây số khổng lồ Chính cha thu hút đợc ý mạng lới Một hớng nghiên cứu thời gian tạo đợc hệ thống truyền tin đáng tin cậyhơn hớng thoong tin qua khí phát minh sợi quang Các sợi dẫn quang lần đợc chế tạo có suy hao lớn (tới khoảng 1000dB/km) tạo đợc mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt Tiếp sau đó, năm 1966 Kao, Hockman Werts nhận suy hao sợi dẫn quang chủ yếu tạp chất có vật liệu chế tạo sợi gây Họ nhận định làm suy hao sợi chắn tồn điểm đải bớc sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ Những nhận định đợc sáng tỏ Kapron, Keck Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20dB/km Corning Glass vào năm 1970 Suy hao nhỏ nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi cho phép tạo cự ly truyền dẫn tơng đơng với hệ thống truyền dẫn cáp đồng Với cố gắng không ngừng nhà nghiên cứu, sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần lợt đời Cho tới năm 1980, hệ thống thông tin sợi dẫn quang phổ biến rộng với vùng bớc sóng làm việc1300nm Cho tới nay, sợi dẫn quang đạt tới độ suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154dB/km bớc sóng 15500nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang hai thập niên qua Cùng với công nghệ chế tạo nguồn phát thu quan, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang với nhiều u điểm trội hẳn so với hệ thống cáp kim loại là: Suy hao truyền dẫn nhỏ Băng tần truyền dẫn lớn Có tính bảo mật tín hiệu thông tin Có kích thớc lợng nhỏ Sợi có tính cách điện tốt Tin cậy linh hoạt Sợi đợc chế tạo từ vật liệu sẳn có Hiện hệ thống thông tin quang đợc ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tơng tự (analog) số (digital), chúng cho phép truyền đẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN) Số lợng cáp quang hiệ đợc lắp đặt giới có số lợng lớn, đủ tốc độ truyền cự ly khác nhau,các cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nớc lấy cáp quang làm môi trờng truyền dẫn mạng lới viễn thông họ Các hệ thống thông tin quángẽ mũi đột phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao I.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang I.2.1 Sơ đồ khối Cấu trúc hệ thống thông tin quang tơng tự nh hệ thống thông tin khác, thành phần tuân thủ theo hệ thống thông tin chung, bao gồm ba phần là: phần phát tín hiệu, môi trờng truyền dẫn phần thu tín hiệu Cụ thể hệ thống thông tin quang nh hình sau: Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Nguồn phát quang Mạch điều khiển Mối hàn Trạm lặp Bộ chia quang Phát quang Mạch điện Thu quang Tới thiết bị khác Bộ thu quang Tách sóng quang Tín hiệu điện Khôi phục tín hiệu Khuếch đại Sợi dẫn quang Bộ nối quang I.2.2 Phân tích cấu trúc thành phần hệ thống Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điều khiển liên kết với Phần truyền dẫn tín hiệu quang gồm cáp sợi quang nối quang, chia quang, trạm lặp Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Nguồn phát quang phía phát sử dụng Diode phát quang (LED) Laser diode (LD), hai loại nguồn phù hợp cho hệ thống thông tin quang với tín hiệu quang đầu có tham số biến đổi tơng ứng với thay đổi dòng điều biến Tín hiệu điện đầu vào thiết bị phát dạng số tơng tự Thiết bị phát thực chuyển đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tơng ứng công suất quang đầu phụ thuộc vào thay đổi cờng độ dòng điều biến cờng độ ánh sáng Bớc sóng làm việc nguồn phát quang phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Ví dụ: GaAlAs phát sóng vùng 800 ữ 900 nm, InGaAsP phát sóng vùng 1100 ữ 1600 nm Đoạn sợi quang nguồn quang phải phù hợp với sợi dẫn quang khai thác tuyến Tín hiệu ánh sáng sau đợc điều chế nguồn phát quang lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Trong trình lan truyền, tín hiệu quang bị suy hao méo dạng yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Độ dài tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao theo bớc sóng sợi quang gây Đặc tuyến suy hao sợi quang theo bớc sóng ba vùng mà suy hao thấp 850 nm, 1300 nm 1550 nm Vì vậy, truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu sử dụng bớc sóng sổ Trong năm gần hệ thống thông tin quang phổ biến sử dụng bớc sóng 1300 nm 1550 nm với mức suy hao nhỏ, đạt suy hao 0,154 dB/km bớc sóng 1550 nm Các trạm lặp đợc đặt tuyến truyền dẫn khoảng cách truyền dẫn dài mục đích để khuếch đại tín hiệu, bù trừ suy hao Trạm lặp gồm thiết bị thu quang, khuếch đại điện phát lại quang vào đờng truyền Phần thu quang gồm tách sóng quang tiếp nhận ánh sáng, tách lấy tín hiệu thu đợc từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện, qua khuếch đại điện để tới khôi phục lại tín hiệu ban đầu Các photodiode PIN photodiode thác APD sử dụng làm tách sóng quang hệ thống thông tin quang, hai loại có hiệu suất làm việc cao tốc độ chuyển đổi nhanh Yêu cầu quan trọng thu quang độ nhạy thu quang cao, tức công suất quang nhỏ thu đợc tốc độ truyền dẫn số ứng với tỷ lệ lỗi bit BER cho phép bé tốt Điều tơng ứng với tỉ lệ tín hiệu tạp âm SNR hệ thống truyền dẫn tơng tự I.3 Ưu nhợc điểm hệ thống thông tin quang Hệ thống truyền dẫn sợi quang có u điểm sau: - Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 THz 1550 nm) suy hao thấp (0,2ữ0,25dB/km bớc sóng 1550 nm) Độ rộng băng tần lớn suy hao thấp cho phép truyền dẫn tốc độ bít cao cự ly xa - Sợi quang không bị ảnh hởng nhiễu điện từ - Tính an toàn bảo mật cao không bị rò sóng điện từ nh cáp kim loại - Sợi quang có kích thớc nhỏ, không bị ăn mòn môi trờng nớc, axit, kiềm có độ bền cao - Hệ thống truyền dẫn sợi quang có khả nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bít cao cách thay đổi bớc sóng công tác ghép kênh chế: Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn sợi quang có số hạn - Không truyền dẫn đợc nguồn lợng có công suất lớn, hạn chế mức công suất cỡ miliwatt - Tín hiệu truyền qua sợi quang bị suy hao bị dãn rộng, điều làm hạn chế cự ly hệ thống truyền dẫn - Thiết bị đầu cuối sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại - Trạm lặp phức tạp I.4 Phân loại hệ thống thông tin quang Có thể phân loại hệ thống thông tin quang theo nhiều cách khác nhau: I.4.1 Phân loại theo dạng tín hiệu điều biến nguồn quang Theo cách ngời ta phân hệ thống thông tin quang thành hai loại hệ thống thông tin quang Analog hệ thống thông tin quang Digital Đối với hệ thống thông tin quang Analog tín hiệu điều biến nguồn quang tín hiệu tơng tự, hệ thống sử dụng đặc tính phi tuyến nguồn quang máy thu quang, đặc tính tán xạ sợi Hệ thống thông tin quang Digital có tín hiệu điều biến nguồn quang tín hiệu số Hiện nay, phổ biến hệ thống thông tin quang Digital truyền dẫn tín hiệu số ghép kênh theo thời gian theo tiêu chuẩn Châu âu hay Bắc Mỹ ghép kênh đồng số I.4.2 Phân loại theo phơng thức điều chế giải điều chế tín hiệu quang Theo cách có hai loại: + Điều chế cờng độ, thu trực tiếp (IM-DD Intensity Modulation - Direct Detection): Trong hệ thống này, ngời ta dùng tín hiệu điện để điều chế cờng độ xạ nguồn quang Tại đầu thu, tín hiệu điện đợc tách trực tiếp diode quang từ công suất quang thu đợc + Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): tín hiệu quang đợc điều chế nguyên lý khoá dịch pha khoá dịch tần đầu phát đầu thu, tín hiệu thu đợc trộn với tín hiệu dao động nội So với hệ thống IM-DD hệ thống nâng cao độ nhạy thu, khả truyền dẫn, khả chọn lựa kênh, khả kết hợp thu Coherent với kỹ thuật khuyếch đại quang I.4.3 Phân loại theo tốc độ cự ly truyền dẫn Theo cách phân chia thành hệ thống là: + Hệ thống có dung lợng truyền dẫn nhỏ trung bình: Là hệ thống có tốc độ truyền dẫn Mbit/s 34 Mbit/s, đợc sử dụng mạng thuê bao ISDN mạng trung kế, có cự ly truyền dẫn khoảng 1km thành phố 20 ữ 30 km vùng nông thôn, trạm lặp + Hệ thống có dung lợng lớn: Hệ thống truyền dẫn với tốc độ 140 Mbit/s, đợc sử dụng mạng trung kế với cự ly 10 ữ 30 km trạm lặp + Hệ thống xuyên quốc gia, xuyên lục địa: Các hệ thống có dung lợng lớn với tốc độ truyền dẫn từ 140 Mbit/s trở nên, cự ly truyền dẫn xa Hệ thống gồm trạm đầu cuối trạm lặp, có cự ly lặp lớn cỡ 50 km vài trăm km Chơng II: Sợi dẫn quang II.1 Nguyên lý truyền ánh sáng II.1.1 Bản chất ánh sáng ánh sáng có hai thuộc tính vừa có tính chất hạt, vừa có tính chất sóng Măcxoen chứng minh chất sóng ánh sáng sóng điện từ, quan sát hiệu ứng phân cực, ngời ta nhận thấy chuyển động sóng vuông góc với hớng mà sóng đi, điều sóng ánh sáng sóng ngang Khi xét tới tác động lẫn ánh sáng vật chất nh tợng tán sắc, hấp thụ xạ ánh sáng lúc ánh sáng mang chất hạt Theo Plank lợng ánh sáng xạ hay bị hấp thụ đơn vị rời rạc đợc gọi photon Mối quan hệ lợng E tần số photon là: E = h. h = 6,625.10-34Js số Plank II.1.2 Các định luật ánh sáng Nguyên lý việc truyền tín hiệu ánh sáng sợi dẫn quang dựa vào tợng phản xạ toàn phần tia sáng Pháp tuyến Tia khúc xạ r Hình vẽ tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng n2 n1 i i Theo định luật khúc xạ ánh sáng (Snell) ta có: Tia tới Tia phản xạ sin i n2 = sin r n1 Trong đó: i góc tới, i góc phản xạ, r góc khúc xạ n2 ) n1 ánh sáng từ môi trờng có chiết suất cao đến đến môi trờng có chiết suất thấp (môi trờng có chiết suất cao chiết quang tốt hơn, góc chiết quang nhỏ hơn) góc tới ánh sáng i phải lớn góc tới hạn ic Điều kiện để có phản xạ toàn phần (lúc r = 90 sin ic = Trong lí thuyết sợi quang để tính toán đơn giản ta không dùng góc tới i mà dùng góc phụ với , đồng thời thay n1, n2 tỉ số chiết suất: n1 n n1 n = n12 n1 2 thông số thơng mại (0,05ữ1%) đợc cho nhà sản xuất Ta thấy điều kiện phản xạ toàn phần trở thành: < c c= arccos n2 n1 = arccos (1-) Việc xác định c qua đơn giản hơn: sin c = cos c = c suy c = Vì có tợng khuyếch tán nên chiết suất biến đổi bề mặt phân cách hai môi trờng Tia phản xạ thực tế có lệch pha so với tia phản xạ lí tởng = f() Kết nghiên cứu cho đồ thị: Hệ quả: + ic iic i[...]... Những chỗ gồ ghề nh vậy trên bề mặt biên gây nên ánh sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài nh trên hình 2-7 Những chỗ không bằng phẳng này gây ra suy hao quang, nó làm tăng suy hao quang bởi vì có các phản xạ bất bình thờng đối với ánh sáng lan truyền Loại suy hao này, ngời ta gọi chung là suy hao tán xạ do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang II.4.4 Suy hao uốn cong sợi Các suy hao bức... II.4.2 Suy hao tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh là một hiện tợng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hớng khác nhau khi nó gặp phải một vật nhỏ có kích thớc không quá lớn so với bớc sóng của ánh sáng Nguyên nhân là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi gây ra Trong vật liệu, đó là tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Ngoài ra, do thuỷ tinh đợc tạo ra từ vài loại... luật Snell thì góc imin tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ đợc xác định nh sau: sinimin= n2 n1 Tia khúc xạ Chiết suất n0 Trục sợi quang Góc tiếp nhận Tia sáng 0 Vỏ sợi quang n2 Tia phản xạ i Lõi sợi quang n1 Vỏ sợi quang n2 Hình vẽ quá trình đa ánh sáng vào sợi quang Nh vậy, mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới hai môi trờng với góc nhỏ hơn góc tới hạn imin thì sẽ bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi và sẽ bị suy hao... Fresnel II.4.6 Suy hao ghép nối sợi quang và các linh kiện thu phát Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác định bằng khẩu độ số NA Khi so sánh về đặc điểm của LD và LED thì chúng có độ rộng chùm sáng khác nhau, khi ghép nối vào sợi quang thì laser có các đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung chùm sáng Ngoài ra, loại sợi SM và GI cũng... II.4 Suy hao tín hiệu trong sợi quang Khi tín hiệu truyền trên bất kỳ môi trờng truyền dẫn nào, nó cũng đều bị suy hao, đối với sợi dẫn quang cũng vậy Nghiên cứu suy hao trên sợi dẫn quang đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống và là tham số xác định cự ly thông tin Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tơng tự nh tín hiệu điện Biếu thức tổng quát của hàm số truyền công suất... tx(0) là hệ số tán xạ tại 0 Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần t công suất của bớc sóng và do đó tán xạ Rayleigh phụ thuộc theo 4 nên có giảm mạnh theo chiều tăng của bớc sóng Giá trị suy hao này đáng kể ở vùng bớc sóng dới 1 àm II.4.3 Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lí tởng và cấu trúc hình trụ đều suốt... hao trội hẳn lên Liên kết OH - đã hấp thụ ánh sáng ở bớc sóng khoảng 2,7 àm và cùng với tác động qua lại của cộng hởng Silic, nó tạo ra các đỉnh hấp thụ ở các bớc sóng 1400 nm, 950 nm và 750 nm Giữa các đỉnh có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn 850 nm, 1300nm và 1550 nm nh ở hình vẽ Các cửa sổ này đã đợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang hiện nay b Hấp thụ vật liệu: Do các... ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bớc sóng và sẽ hấp thụ ánh sáng ở bớc sóng dài, trờng hợp này gọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bớc sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bớc sóng sử dụng, nhng đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hởng và kéo tới vùng bớc sóng 1550 nm làm cho vùng bớc sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể c Hấp thụ điện tử Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp... giới lõi - vỏ của sợi dẫn quang và lan truyền đợc trong sợi dẫn quang Khẩu độ số NA của sợi có chiết bậc đợc xác định: NA = n0.sin0max= n 12 n 22 n1 2 Vì khẩu độ số có liên quan tới góc vào lớn nhất nên nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng vào sợi Giá trị của khẩu độ số luôn nhỏ hơn 1 và nằm trong dải từ 0,14 ữ0,50 II.4 Suy hao tín hiệu trong sợi quang Khi tín hiệu truyền... kế và vận hành hệ thống Mỗi loại này sẽ đợc phân chia thành các loại suy hao cụ thể hơn Suy hao do ghép với linh kiện phát quang Lực ngoài Suy hao do tán xạ Reyleigh Phản xạ Fresnel Suy hao do hấp thụ Suy hao vi cong Suy hao do cấu trúc không đồng nhất Suy hao bức xạ do bị bẻ cong Suy hao do hàn nối Suy hao do việc ghép với linh kiện thu quang Hình vẽ các nguyên nhân gây ra suy hao quang Hình vẽ trình ... quang thành hai loại hệ thống thông tin quang Analog hệ thống thông tin quang Digital Đối với hệ thống thông tin quang Analog tín hiệu điều biến nguồn quang tín hiệu tơng tự, hệ thống sử dụng đặc... thống thông tin quang Có thể phân loại hệ thống thông tin quang theo nhiều cách khác nhau: I.4.1 Phân loại theo dạng tín hiệu điều biến nguồn quang Theo cách ngời ta phân hệ thống thông tin quang. .. phi tuyến nguồn quang máy thu quang, đặc tính tán xạ sợi Hệ thống thông tin quang Digital có tín hiệu điều biến nguồn quang tín hiệu số Hiện nay, phổ biến hệ thống thông tin quang Digital truyền