Thông tin và điều độ trong hệ thống điện - Chương 5

Tài liệu tham khảo giáo trình môn thông tin và điều độ trong hệ thống điện

Thäng Tin V Âiãưu ÂäüTrong Hãû Thäúng Âiãûn Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 39 Chỉång 5 GIÅÏI THIÃÛU HÃÛ THÄÚNG THÄNG TIN SÅÜI QUANG 5.1. Cáúu trục chung ca mäüt HTTT såüi quang: Hçnh v 5.1 thãø hiãûn cáúu trục chung ca mäüt hãû thäúng thäng tin quang. Cạc tên hiãûu âiãûn tỉì cạc thiãút bë khạc nhau nhỉ: mạy âiãûn thoải, Fax, mạy tênh, mạy phạt truưn hçnh, cạc thiãút bë âáưu cúi . âỉa âãún âỉåüc biãún âäøi sang tên hiãûu quang qua mäüt bäü biãún âäøi âiãûn-quang (E/O) (cạc mỉïc tên hiãûu âiãûn âỉåüc biãún âäøi thnh cỉåìng âäü quang, cạc tên hiãûu âiãûn "1" v "0" âỉåüc biãún âäøi ra ạnh sạng dảng "CỌ" v "KHÄNG") v sau âọ âỉåüc gỉíi vo såüi quang trong cạp quang. Tải âáưu thu qua bäü biãún âäøi quang-âiãûn (O/E) tên hiãûu quang thu âỉåüc biãún âäøi thnh tên hiãûu âiãûn, khäi phủc lải ngun dảng tên hiãûu ca mạy âiãûn thoải, Fax, dỉỵ liãûu . â âỉåüc gỉíi âi. Tên hiãûu â khäi phủc âỉåüc truưn tåïi cạc thiãút bë âáưu cúi ca chàûng truưn dáùn. Hçnh 5.1. Cáúu trục HTTT såüi quang Bäü biãún âäøi âiãûn quang thỉûc cháút l linh kiãûn phạt quang nhỉ l Laser diode v bäü biãún âäøi quang-âiãûn thỉåìng l cạc Photo diode. Khi khong cạch truưn dáùn låïn ngỉåìi ta âàût cạc trảm làûp trãn tuún cạp quang. Cạc trảm làûp ny biãún âäøi tên hiãûu quang thu âỉåüc thnh tên hiãûu âiãûn âãø khúch TV   Âiãûn thoải Säú liãûu Fax <Tên hiãûu âiãûn> E/O O/E E/O    Âiãûn thoải Säú liãûu Fax <Tên hiãûu âiãûn> O/E Trảm làûp Såüi quang Såüi quang Thäng tin v Âiãưu âäü trong Hãû Thäúng Âiãûn 40 Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng âải. Tên hiãûu â âỉåüc khúch âải âỉåüc biãún âäøi thnh tên hiãûu quang âãø tiãúp tủc truưn trãn tuún cạp quang tiãúp theo. 5.2. Âàûc âiãøm ca HTTT såüi quang : Hãû thäúng thäng tin såüi quang cọ mäüt säú ỉu âiãøm so våïi cạc hãû thäúng sỉí dủng cạp âäưng cäø âiãøn do sỉí dủng cạc âàûc tênh ca såüi quang, linh kiãûn thu quang v phạt quang. Såüi quang cọ cạc âàûc âiãøm ch úu sau: 1. Sỉû suy hao tháúp ca tên hiãûu (cháút lỉåüng täút hån so våïi cạp song hnh kim loải hay cạp âäưng trủc .). 2. Cạp såüi quang cọ thãø truưn ti tên hiãûu cọ táưn säú cao hån ráút nhiãưu so våïi cạp âäưng trủc. 3. Âỉåìng kênh såüi quang nh, trng lỉåüng nhẻ so våïi cạp âäưng. Mäüt såüi cạp quang cọ cng âỉåìng kênh våïi cạp kim loải cọ thãø chỉïa mäüt säú lỉåüng låïn li såüi quang hån säú lỉåüng li såüi kim loải cng kêch cåỵ. Cạc âàûc âiãøm ny ca såüi quang cọ ỉu âiãøm ráút låïn khi làõp âàût cạp. 4. Såüi quang cọ âàûc tênh cạch âiãûn vç thy tinh khäng dáùn âiãûn. Do váûy cạp såüi quang khäng chëu nh hỉåíng ca âiãûn tỉì trỉåìng bãn ngoi (chàóng hản tỉì cạc âỉåìng dáy hay cạp âiãûn cao ạp, sọng vä tuún v truưn hçnh v.v .). Trong ngnh âiãûn cạp quang cọ thãø âỉåüc âàût bãn trong dáy chäúng sẹt trãn âỉåìng dáy truưn ti âiãûn. 5. Sỉí dủng cạp quang cho phẹp tiãút kiãûm ti ngun vç thảch anh l ngun liãûu chênh âãø sn xút såüi quang. Ngưn ngun liãûu ny däưi do hån nhiãưu so våïi kim loải v hån nỉỵa, chè cáưn mäüt lỉåüng nh ngun liãûu thảch anh l cọ thãø chãú tảo âỉåüc mäüt âoản cạp quang tỉång âäúi di. Hån nỉỵa, truưn dáùn såüi quang nhåì ghẹp kãnh dung lỉåüng låïn (ráút nhiãưu tên hiãûu âỉåüc ghẹp lải våïi nhau thnh mäüt âỉåìng v âỉåüc truưn qua tuún truưn dáùn) cho phẹp thỉûc hiãûn cạc dëch vủ truưn video âang cọ nhu cáưu phạt triãøn låïn v s lm cho giạ truưn tin gim tháúp. Thäng tin quang cng cho phẹp truưn dáùn âäưng thåìi cạc tên hiãûu cọ bỉåïc sọng khạc nhau (ghẹp táưn säú). Âàûc tênh ny cng våïi kh nàng truưn dáùn bàng räüng ca såüi quang sàơn cọ lm cho dung lỉåüng truưn dáùn ca tuún tråí nãn ráút låïn. Âỉåìng kênh nh, trng lỉåüng bẹ ca såüi quang lm gim khong khäng trong quạ trçnh làõp âàût cạp. Âiãưu ny mäüt láưn nỉỵa ci thiãûn tênh kinh tãú trong mảng lỉåïi viãùn thäng v lm thûn tiãûn, dãù dng trong khi làõp âàût Thäng Tin V Âiãưu ÂäüTrong Hãû Thäúng Âiãûn Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 41 v bo dỉåỵng. Ỉu âiãøm ca såüi quang l khäng dáùn âiãûn, nhỉ váûy khäng cáưn thiãút phi tạch cạp thäng tin ra khi cạc thiãút bë gáy ra cm ỉïng âiãûn tỉì trỉåìng, bo vãû an ton cho cäng nhán cng nhỉ äøn âënh cháút lỉåüng thäng tin. 5.3. Såüi quang: 5.3.1. Cáúu trục såüi quang: Såüi quang cọ thãø hiãøu l "såüi mnh dáùn ạnh sạng", bao gäưm hai cháút âiãûn mäi trong sút khạc nhau (cháút âiãûn mäi nhỉ thy tinh hồûc nhỉûa) mäüt pháưn cho ạnh sạng truưn trong âọ gi l li såüi, pháưn cn lải l låïp v bao quanh li. Såüi quang âỉåüc cáúu tảo sao cho ạnh sạng âỉåüc truưn dáùn chè trong li såüi bàòng phỉång phạp sỉí dủng hiãûn tỉåüng phn xả ton pháưn ạnh sạng. Hiãûn tỉåüng ny âỉåüc tảo nãn do cáúu tảo ca såüi quang cọ chiãút sút låïp v n2 nh hån chiãút sút låïp li n1 khong 0,2 hồûc 0,3% (n1 > n2). Hçnh 5.2. Cáúu trục såüi quang Såüi quang cọ âỉåìng kênh ráút bẹ, âỉåìng kênh låïp v vo khong 0,1 mm. Li dáùn ạnh sạng ca såüi cọ âỉåìng kênh cn nh hån nhiãưu, âỉåìng kênh ny cåỵ khong mäüt vi µm (1 µm = 10-3 mm), so våïi bỉåïc sọng truưn ti nọ låïn hån khong vi chủc láưn. Cạp quang bao gäưm nhiãưu såüi quang bãn trong. 5.3.2. Quạ trçnh âỉa ạnh sạng vo såüi quang : Ạnh sạng phạt ra tỉì ngưn phạt quang bë khúch tạn do nhiãùu xả. Mún âỉa ạnh sạng vo li ca såüi cáưn phi táûp trung ạnh sạng. Tuy nhiãn khäng phi táút c ạnh sạng âỉåüc táûp trung âãưu cọ thãø âỉa vo såüi m chè n1 n2 n2 Thäng tin v Âiãưu âäü trong Hãû Thäúng Âiãûn 42 Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng mäüt pháưn cọ gọc tåïi nàòm trong mäüt giåïi hản nháút âënh måïi cọ thãø âỉa âỉåüc vo li såüi quang. Nhỉ trçnh by trãn hçnh 5.3, tải âiãøm âỉa vo ca såüi quang chia thnh ba mäi trỉåìng liãưn nhau cọ chiãút sút khục xả khạc nhau. Âọ l mäi trỉåìng khäng khê, li v v ca såüi quang. Cho cạc giạ trë chiãút sút ny láưn lỉåüt bàòng n0 (=1), n1 v n2. Ta cọ thãø ạp dủng cạc âënh lût khục xả v phn xả tải cạc biãn tiãúp giạp giỉỵa khäng khê v li, giỉỵa li v v. ÅÍ âáy gọc nháûn låïn nháút θmax l gọc måí âäúi våïi tia tåïi säú 2 cọ gọc tåïi bàòng gọc tåïi hản nhỉ trãn hçnh 5.3. Tải biãn ca khäng khê v li, li v v, ạp dủng âënh lût khục xả ạnh sạng Snell ta cọ hai phỉång trçnh nhỉ sau : n0sinθmax = n1 sinθc n1sin (900 - θc) = n2 sin 900 = n2 hay: n0sinθmax = n1 sinθc cosθc = n2 / n1 Gọc måí låïn nháút θmax âỉåüc tênh nhỉ sau : sinθmax = 2221n - n θmax = arcsin(2221n - n ) Hçnh 5.3. Gọc nháûn ca såüi quang Âải lỉåüng sinθmax âỉåüc gi l kháøu âäü säú NA (Numerical Aperture), nọ cho ta biãút âiãưu kiãûn âỉa ạnh sạng vo såüi quang. Âáy l thäng säú cå bn tạc âäüng âãún hiãûu sút ghẹp näúi giỉỵa ngưn sạng v såüi quang. Li n1 Thäng Tin V Âiãưu ÂäüTrong Hãû Thäúng Âiãûn Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 43 Vê dủ, mäüt såüi quang cọ chiãút sút khục xả l n1 = 1,475 v n2 = 1,46 (âäü lãûch chiãút sút tỉång âäúi = 1%) s cọ NA = 0,21 Nãúu biãút âỉåüc âỉåìng kênh li v kháøu âäü säú NA ca såüi quang thç xạc âënh âỉåüc lỉåüng ạnh sạng vo li såüi. Âỉåìng kênh li såüi cng låïn v NA cng låïn s cho hiãûu sút ghẹp näúi cao. Trong såüi quang, giao thoa giỉỵa ạnh sạng tåïi cọ gọc phn xả xạc âënh våïi ạnh sạng phn xả gáy ra phán bäú cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng xạc âënh. Âỉåìng truưn ca ạnh sạng bë giåïi hản trong såüi quang våïi gọc phn xả xạc âënh cng nhỉ phán bäú cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng xạc âënh âỉåüc gi l mode lan truưn. Säú lỉåüng mode lan truưn ạnh sạng N l mäüt säú ngun låïn nháút tha mn âiãưu kiãûn: 2a.sinθc ≥ N.λ/2 trong âọ θc âỉåüc tênh nhỉ åí trãn nhỉ sau : sinθc = sinθmax/n1 = 12221 /nn - n 2a: âỉåìng kênh ca li såüi quang. Tỉì âọ ta cọ N l säú ngun låïn nháút tha mn âiãưu kiãûn: N ≤ (4a/λ).(12221 /nn - n ) Vç λ = λ0/n1 ,nãn N ≤ (4a/λ0).2221n - n Vê dủ cho n1 = 1,475, n2 = 1,46, 2a = 50 µm v λ = 1,3 µm thç ta cọ säú lỉåüng mode l N = 16. Såüi quang cọ säú lỉåüng mode truưn lan nhiãưu nhỉ â nọi åí vê dủ trãn âỉåüc gi l såüi âa mode (cọ N>1). Nãúu n1=1.463, n2 = 1,46, 2a = 10µm v bỉåïc sọng ạnh sạng λ=1,3µm ta cọ N=1. ÅÍ âáy N = 1 cọ nghéa l chè cọ thãø täưn tải mäüt mode truưn lan ạnh sạng. Såüi quang chè cọ mäüt mode truưn lan nhỉ vê dủ ny thç âỉåüc gi l såüi âån mode. Vç säú lỉåüng mode truưn lan l hm säú ca bỉåïc sọng λ nãn nãúu såüi cọ thãø âỉåüc sỉí dủng nhỉ såüi âån mode åí bỉåïc sọng ny thç âäúi våïi bỉåïc sọng ngàõn hån khäng cn l såüi âån mode nỉỵa. Bỉåïc sọng nh nháút m tải âọ, såüi quang lm viãûc nhỉ såüi âån mode âỉåüc gi l bỉåïc sọng càõt. Bỉåïc sọng càõt λc cọ thãø âỉåüc tênh theo phỉång trçnh : λc = 4a2221n - n Thäng tin v Âiãưu âäü trong Hãû Thäúng Âiãûn 44 Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 5.3.3. Phán loải såüi quang : Nhỉ trong bng 5.1, såüi quang âỉåüc phán loải theo nhiãưu cạch nhỉ phán loải theo váût liãûu âiãûn mäi sỉí dủng, theo mode truưn dáùn, theo phán bäú chiãút sút khục xả ca li v.v . Bng 5.1. Phán loải såüi quang Såüi quang thảch anh Såüi quang thy tinh âa váût liãûu Phán loải theo váût liãûu âiãûn mäi Såüi quang bàòng nhỉûa Såüi quang âån mode Phán loải theo Mode truưn lan Såüi quang âa mode Såüi quang chiãút sút báûc (SI) Phán loải theo phán bäú chiãút sút khục xả Såüi quang chiãút sút biãún âäøi âãưu (GI) a) Phán loải theo váût liãûu âiãûn mäi : Khi phán loải theo váût liãûu âiãûn mäi thç cọ täøng säú 03 loải, mäüt loải såüi bao gäưm pháưn låïn thy tinh thảch anh, mäüt loải gäưm nhiãưu loải váût liãûu thy tinh v mäüt loải l såüi bàòng nhỉûa. Cạc såüi quang thảch anh khäng nhỉỵng chè chỉïa thảch anh ngun cháút (SiO2) m cn cọ cạc tảp cháút thãm vo nhỉ Ge, B v F v.v âãø lm thay âäøi chiãút sút khục xả. Cạc såüi quang âa váût liãûu cọ thnh pháưn ch úu l soda lime, thy tinh hồûc thy tinh boro - silicat v.v . Âäúi våïi váût liãûu sn xút såüi quang bàòng nhỉûa, silicon resin v acrelie resin (tỉïc l Polymethyl methacrylate : PMMA) thỉåìng âỉåüc sỉí dủng. Âäúi våïi mảng lỉåïi viãùn thäng, såüi quang thy tinh thảch anh âỉåüc sỉí dủng nhiãưu nháút båíi vç nọ cọ kh nàng cho sn pháøm cọ âäü suy hao háúp v cạc âàûc tênh truưn dáùn äøn âënh trong thåìi gian di. Nhỉng cạc loải såüi bàòng nhỉûa thỉåìng âỉåüc sỉí dủng åí nhỉỵng nåi cáưn truưn dáùn cỉû ly ngàõn, khọ âi cạp bàòng mạy mọc, thûn tiãûn trong sỉí dủng làõp âàût th cäng (nhỉ dãù dng hn näúi, khäng phỉång hải âãún cạc âàûc tênh truưn dáùn khi b gáûp v.v ) màûc d loải ny cọ âàûc tênh truưn dáùn kẹm. b) Phán loải theo Mode lan truưn: Thäng Tin V Âiãưu ÂäüTrong Hãû Thäúng Âiãûn Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 45 Theo Mode lan truưn, såüi quang âỉåüc chia thnh hai nhọm. Mäüt l såüi quang âån mode (âỉåüc gi tàõt l loải SM) loải ny chè cho mäüt mode lan truưn. Loải såüi thỉï hai l loải âa mode, cho phẹp nhiãưu mode lan truưn. c) Phán loải theo phán bäú chiãút sút khục xả: Cạc såüi quang cọ thãø tảm phán loải thnh hai nhọm theo phán bäú chè säú khục xả ca li såüi. Mäüt loải gi l såüi quang chiãút sút phán báûc (Step Index viãút tàõt l SI) åí loải såüi ny chiãút sút thay âäøi theo báûc giỉỵa li v v. Loải thỉï hai gi l såüi quang chiãút sút biãún âäøi (Graded Index viãút tàõt l GI). Loải ny cọ chiãút sút thay âäøi mäüt cạch tỉì tỉì. Hçnh 5.4.a Såüi quang chiãút sút phán báûc Hçnh 5.4.b Såüi quang chiãút sút biãún âäøi Cạc tham säú cå bn âãø xạc âënh cáúu trục såüi quang l âỉåìng kênh li såüi, âỉåìng kênh låïp bao (âỉåìng kênh v), kháøu âäü säú (NA), dảng phán bäú chiãút sút khục xả v.v . Thãm vo âọ, cn cọ cạc thäng säú phủ khạc nhỉ t säú khäng âäưng tám, t säú khäng trn. 5.4. Cạc bäü biãún âäøi: 5.4.1. Bäü biãún âäøi âiãûn-quang (E/O): Bäü biãún âäøi âiãûn-quang (E/O) cọ nhiãûm vủ phạt ra sọng quang, chuøn âäøi dng âiãûn iE åí âáưu vo thnh sọng quang åí âáưu ra cọ cäng sút quang ΦE/O âỉåüc thãø hiãûn dỉåïi dảng cäng sút ca sọng âiãûn tỉì : ΦE/O = a0 + a1iE trong âọ a0, a1 l cạc hàòng säú. n2 n1 n2 n2 n1 n2 Thäng tin v Âiãưu âäü trong Hãû Thäúng Âiãûn 46 Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng Trong trỉåìng håüp l tỉåíng cäng sút quang phạt ra ΦE/O phi tè lãû våïi cỉåìng âäü dng âiãûn kêch thêch iE (hãû säú ao = 0): ΦE/O = a1iE Hãû säú tè lãû a1 âàûc trỉng cho hiãûu sút bỉïc xả quang. Màût khạc cäng sút âiãûn PE âàût åí âáưu vo ca bäü biãún âäøi âiãûn-quang cọ thãø coi l tè lãû våïi bçnh phỉång dng âiãûn iE2. Vç váûy cäng sút quang bỉïc xả s tè lãû våïi càn báûc hai ca cäng sút âiãûn âàût åí âáưu vo ca bäü biãún âäøi âiãûn-quang. Cạc bäü biãún âäøi ny thỉåìng l cạc diode laser (LD) hay diode phạt quang (LED). 5.4.2. Bäü biãún âäøi quang - âiãûn (O/E): ÅÍ phêa âáưu ra ca såüi quang, cäng sút quang thu nháûn âỉåüc ΦO/E s âỉåüc chuøn âäøi ngỉåüc lải thnh dng âiãûn iR åí âáưu ra båíi bäü biãún âäøi quang- âiãûn O/E. iR = σ0 . ΦO/E σ0 : hãû säú âạp ỉïng Màût khạc do cäng sút tên hiãûu âiãûn PR thu âỉåüc tè lãû våïi bçnh phỉång dng âiãûn iR2 nãn cäng sút ny tè lãû våïi bçnh phỉång ca cäng sút sọng quang. Hoảt âäüng ca bäü thu hon ton âäúi xỉïng lải våïi bäü phạt. åí âáưu vo ca nọ. Cạc bäü biãún âäøi quang-âiãûn thỉåìng l cạc Photo diode. 5.5. Cạc thäng säú cå bn ca hãû thäúng thäng tin såüi quang: - Täúc âäü bit D nhë phán cáưn truưn. - Chiãưu di l ca âỉåìng truưn. - Xạc sút sai ε trãn mäùi bit cháúp nháûn âỉåüc. . 4a2221n - n Thäng tin v Âiãưu âäü trong Hãû Thäúng Âiãûn 44 Khoa Âiãûn - Trỉåìng Âải hc K thût - Âải hc  Nàơng 5. 3.3.. âäøi quang-âiãûn thỉåìng l cạc Photo diode. 5. 5. Cạc thäng säú cå bn ca hãû thäúng thäng tin såüi quang: - Täúc âäü bit D nhë phán cáưn truưn. - Chiãưu