Chu Công Cẩn Bi giảng Hà Nội 2007 Lời nói đầu Ngày xu hớng hội nhập toàn cầu, nhu cầu trao đổi thông tin ngày phát triển Các dịch vụ thông tin ngày tăng số lợng chất lợng, chúng đa dạng tốc độ nh dung lợng, từ dịch vụ thông tin băng tần hẹp nh Telex, Fax, thoại đến dịch vụ thông tin băng tần rộng nh thoại hình, truyền hìnhVới nhu cầu này, hệ thống thông tin cần phải có tốc độ dung lợng cao để sẵn sàng đáp ứng nhu cầu dịch vụ mà bảo đảm chất lợng theo yêu cầu Đây vấn đề khó khăn hệ thống thông tin sử dụng cáp kim loại hệ thống thông tin vô tuyến Hệ thống thông tin quang đời đà giải đợc vấn đề đà thể đợc tính u việt hẳn so với hệ thống truyền dẫn khác Hệ thống thông tin quang đợc xây dựng phát triển sở công nghệ đại tiên tiến là: Công nghệ quang lợng tử, công nghệ truyền dẫn ánh sáng công nghệ điện tử tin học Các hệ thống thông tin sợi quang đà thể đợc u điểm vợt trội mặt: Có dung lợng tèc ®é trun dÉn cao, suy hao hƯ thèng nhá, cự ly thông tin xa, chất lợng thông tin cao, tính bảo mật thông tin tốt, kích thớc hệ thống nhỏ, cấu hình hệ thống linh hoạt Hiện nh tơng lai, hệ thống thông tin quang thay hệ thống truyền dẫn cáp kim loại Do vậy, việc nghiên cứu nắm bắt hệ thống thông tin quang vấn đề quan trọng cần thiết Các phần tử cấu thành hệ thống thông tin quang bao gồm nguồn quang, sợi quang, tách sóng quang phần tử đấu nối Việc nghiên cứu phần tử phải đợc phân tích đánh giá cách đầy đủ từ cấu trúc, thông số đặc tính đến khả ứng dụng chúng hệ thống thông tin quang Các vấn đề nêu sở kỹ thuật để phân tích, đánh giá thiết kế hệ thống thông tin quang đáp ứng đầy dủ yêu cầu kỹ thuật tiêu kinh tế Mặc dù đà cố gắng nhng sách tránh khỏi thiếu sót trình biên soạn, tác giả mong nhận đợc đóng góp ý kiến phê bình đồng nghiệp bạn đọc để hoàn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi hộp th: chucongcan@fpt.vn Bộ môn Kỹ thuật thông tin P.706A7 Đại học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2007 Tác giả Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Chơng Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.1 Khái quát chung Từ xa xa, điều quan tâm chủ yếu sống loài ngời tìm hệ thống thông tin để gửi tin từ nơi đến nơi khác Bất kỳ hệ thống thông tin gồm phần tử nh hình vẽ 11 Hình 11: Các phần tử hệ thống thông tin Các phần tử bao gồm nơi nguồn tin nơi đa tin tới máy phát Máy phát tập hợp tin kênh truyền dẫn dạng tín hiệu xếp theo đặc tính kênh Kênh truyền dẫn cầu nối khoảng cách trung gian máy phát máy thu, đờng truyền dẫn nh cáp kim loại, ống dẫn sóng, truyền dẫn không khí Khi tín hiƯu lan trun kªnh trun dÉn nã cã thĨ bị ảnh hởng tới hai mặt bị suy giảm bị biến dạng tín hiệu theo tăng khoảng cách truyền lan Chức máy thu thu nhận tín hiệu đà bị suy yếu méo dạng từ kênh truyền dẫn, khuếch đại chúng hồi phục chúng trở lại nguyên dạng giống nh trớc chúng đợc chuyển đến nơi nhận tin 1.1.1 Các hình thức hệ thống thông tin Trong lịch sử thông tin có nhiều hệ thống thông tin xuất Sự thúc đẩy chủ yếu sau dạng cải tiến cách thức truyền Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn dẫn cũ nhằm tăng số lợng ®−êng kªnh, tèc ®é sè liƯu ®Ĩ cã thĨ gưi đợc nhiều tin tăng cự ly trạm chuyển tiếp Môi trờng truyền dẫn Các ứng dụng 800 nm Thoại Tử ngoại Nhìn thấy Sợi quang 106 m Hồng ngoại Sóng cm Milimeter Siêu cao tần (SHF) Tia Laser 2.55mm Hàng hải èng dÉn sãng Viba 10 cm TÇn sè cùc cao 1m 10 m (UHF) TÇn sè rÊt cao 100 m km Trung tần (MF) 10 km Cáp đồng Tần sè thÊp (LF) TÇn sè rÊt thÊp (VLF) 100 k m VƯ tinh ‐ VƯ tinh Chun tiÕp viba Tr¹m mặt đất V.tinh Radar UHF TV 1014 Hz 100 GHz 10 GHz GHz Hàng không, Mobile (VHF) Tần số cao (HF) Dữ liệu Video 1015 Hz Vô tuyến sóng ngắn Vô tuyến sóng dài Cáp đối xứng VHF TV & FM 100 MHz Thơng mại Radio nghiệp d Quốc tế 10 MHz AM phát MHz Hàng không, Cáp ngầm, Hàng hải, Vô tuyến đại dơng 100 KHz Mobile Radio 10 KHz Điện thoại Điện báo Âm tần KHz Hình 12: Các ví dụ ứng dụng hệ thống thông tin liên lạc phổ điện từ Trớc kỷ 19 tất hệ thống thông tin có tốc độ chậm chủ yếu ©m vµ quang häc nh− dïng tï vµ, trèng, kèn đèn tín hiệu Một đờng truyền dẫn quang sớm đợc ngời ta biết tới lửa ngời Hy lạp sử dụng vào kỷ thứ trớc công nguyên để gửi tín hiệu báo động gọi cần cấp cứu thông báo kiện xảy ra, ®©y nhÊt chØ cã mét kiĨu tÝn hiƯu Trong kỷ thứ trớc công nguyên, thông tin đợc truyền qua Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn trạm chuyển tiếp vào khoảng năm 150 trớc công nguyên tín quang đợc mà hoá giao quy luật định để tin đợc gửi Song tiến triển hệ thống thông tin không tích cực có hạn chế công nghệ máy thu tin mắt ngời đòi hỏi hớng nhìn theo đờng thẳng tác động khí nh ma, mây mù, sơng làm cho đờng truyền không đáng tin cậy Vì ngời ta chuyển sang hình thức thông tin nhanh hiệu gửi tin hình thức qua ngời đa th đờng Tần sè, Hz 1021 Tia gamma Tia X 1018 1THz 1015 Tư ngo¹i Hång ngo¹i 1MHz 1KHz 109 106 103 Cùc ngắn TV 109 1mm 106 Tần số x 1014, Hz 7.5 TÝm Lam 400 Lơc 1Hz Radio ¸nh s¸ng 1nm 10‐12 1012 1GHz B−íc sãng, m 1mm 10‐3 1m 1.0 1km 103 106 a) Vàng 500 b) Da cam Đỏ 600 4.3 700 Bớc sóng, nm Hình 13: Phổ điện từ a) Phân bố tần số bớc sóng; b) Phần nhìn thấy phổ điện Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công CÈn Sù ph¸t minh m¸y diƯn b¸o Samuel F.B More vào năm 1838 đà báo hiệu kỷ nguyên thông tin kỷ nguyên thông tin điện Dịch vụ điện báo thơng mại đợc sử dụng dây kim loại đợc thực vào năm 1844 sau đợc phát triển nhanh chóng rộng rÃi khắp giới Việc sử dụng cáp kim loại truyền dẫn tin đợc mở rộng với lắp đặt tổng đài điện thoại New Haven, Conecticut năm 1878 Năm 1887 Henrich Hertz phát minh xạ sóng điện từ bớc sóng dài vấn đề đợc chứng minh Radio Guylielmo Marconi năm 1895 Trong năm sau phổ sóng điện từ đợc lợi dụng để truyền đạt tin tức từ nơi đến nơi khác, tin tức số liệu đợc truyền kênh thông tin cách xếp chồng tín hiệu phận làm biến đổi sóng điện từ đợc biết nh sóng mang Tại nơi nhận tin tức đợc tách khỏi sóng mang chế biến theo yêu cầu Việc tăng tần số sóng mang băng tần truyền dẫn sẵn có làm tăng khả thông tin lớn Vì khuynh hớng phát triển hệ thống thông tin điện dùng tần số cao tăng dần (tơng đơng với dùng sóng ngắn hơn) tạo tăng giao tiếp băng tần Khả thông tin đợc nâng lên, bớc ngoặt dẫn đến đời TV, radar đờng vi ba Phần phổ sóng điện từ đợc dùng thông tin điện đợc trình bày nh hình vẽ 12 Tần số phạm vi ứng dụng từ khoảng 300Hz băng âm tần đến khoảng 90GHz băng sóng milimeter M«i tr−êng trun dÉn sư dơng phỉ bao gåm ống dẫn sóng, dây kim loại không gian Các hệ thống thông tin dùng đờng truyền tập hợp máy điện thoại, máy phát AM, FM, truyền hình (television), băng sóng radio dân nghiệp d CB (citizen's band radio), radar, đờng vệ tinh (Satellite links) Một phần quan trọng khác phổ sãng ®iƯn tõ bao quanh miỊn quang häc, miỊn nµy theo lƯ th−êng ng−êi ta dïng ký hiƯu b−íc sóng để thay cho tần số Phổ quang học đợc xếp từ khoảng 50nm (miền cực tím) đến khoảng 100 mm (miền hồng ngoại), Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn phổ ánh sáng nhìn thấy (bằng mắt ng−êi) tõ 400 ®Õn 700 nm Ng−êi ta ®· sư dơng mét sè vïng b−íc sãng phỉ quang häc cho hệ thống thông tin sợi quang 1.1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin quang Từ xa xa ngời đà biết dùng ánh sáng để thông tin cho chiÕn tranh cịng nh− ®êi sống (nh đốt lửa làm hiệu, đèn hải đăng ) nhng lúc khái niệm thông tin quang cha hình thành Năm 1880 Alexander Graham Bell phát minh Photophone Ông đà truyền tiếng nói chùm sáng cách hội tụ chùm sáng hẹp vào gơng mỏng Khi sóng âm tác động làm cho gơng chuyển động làm biến đổi tơng ứng lợng quang từ gơng truyền tới tách quang Selen làm thay đổi điện trở cờng độ dòng điện ống nghe thay đổi để thu đợc tiếng nói Bell đà sử dụng phát minh để truyền tín hiệu tiếng nói 700 feet chiều dài Tuy năm 1950 thông tin quang nằm khái niệm Năm 1950, B.OBrian lần đà sử dụng bó sợi quang để truyền hình ảnh nhng sợi quang có suy hao lớn nên không sử dụng đợc thực tế Đến năm 1960 tổn hao sợi khoảng 1000 dB/km Năm 1960 đời Laser hồng ngọc đời Laser bán dẫn năm 1962 hệ thống thông tin quang đời với môi trờng truyền dẫn không khí Do tham số truyền dẫn môi trờng thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định bị gián đoạn chấp nhận đợc Năm 1966, Standard Telecommunications Laboratories (nớc Anh) nhà nghiên cứu cho giảm tổn hao sợi xuống 20dB/km sử dụng đợc để truyền dẫn thông tin cách khử tạp chất thủy tinh Năm 1970, Mauner, D.B.Keck Schultz Corning Glass Works đà chế tạo thành công sợi quang có Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn suy hao nhỏ 20 dB/km cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu Năm 1970 hệ thống thông tin sợi quang xuất chủ yếu dùng cho quân đội Đến năm 1977 hệ thống Bell Laboratories Lighguide đợc lắp đặt Chicago dùng để cung cấp dịch vụ thoại, số liệu analog, số liệu digital, điện thoại hình dịch vụ Video MHz cho khách hàng Chicagos Brunsnich Building Cũng năm 1977, NTT đà công bố sản xuất đợc loại sợi có tiêu hao 0.5 dB/km bớc sóng l = 1200nm Năm 1978 xuất sợi chiết suất biến đổi có tiêu hao dB/km sử dụng cho quân lẫn dân bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống khối SAE, NATO, EFA Năm 1980 1982 hệ thống thông tin đờng trục 45 Mbit/s 90 Mbit/s sử dụng sợi quang đà đợc lắp dặt Năm 1983 AT&T đà chế tạo thành công sợi đơn mode Năm 1985 sản xuất đợc sợi quang công tác bớc sóng l= 1550nm dung lợng hệ thống năm 1986 đà bắt đầu tăng đến 560 Mbit/s, năm 1986 đời hệ thống 1.2 2.4 Gbit/s Năm 1985 thành phố Dallas Newyork đà lắp đặt hệ thống siêu đờng trục gồm kênh video/1sợi năm 1987 16 kênh video/1sợi MÃi đến năm 1989 hệ thống dựa sở ghép kênh không đồng bộ, chủ yếu dựa vào chuẩn giao tiÕp DS‐1 vµ DS‐3, ch−a cã chuÈn giao tiÕp mạng Năm 1988 xuất chuẩn giao tiếp mạng quang đồng gọi tắt SONET, năm xuất tiêu chuẩn mạng nội LAN Cuộc cách mạng thời cận đại thông tin sợi quang chủ yếu tập trung vào truyền dẫn kết hợp cho phép mang sóng quang đà điều chế giống nh sóng vô tuyến với tốc độ số liệu lên tới 10 Gbit/s 10 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn để nối sợi quang đến máy phát máy thu, với panel giá lắp thiết bị Tùy theo yêu cầu sử dụng mà Connector có loại khác Các Connector khác có đặc điểm, u, nhợc điểm thông số kỹ thuật khác Nhng tất chúng bao gồm thành phần sau: Vòng nối: Sợi quang đợc đặt ống trụ dài thon, vòng nối đóng vai trò nh cấu thẳng hàng sợi Vòng nối có đờng kính lớn đớng kính vỏ sợi Phần cuối sợi đợc đặt vào đầu vòng nối Các vòng nối đợc chế tạo kim loại, gốm nhng đợc làm chất dẻo Thân Connector: Còn gọi vỏ bọc Connector, giữ lấy vòng nối Nó đợc chế tạo kim loại chất dẻo gồm hay nhiều mảnh ghép lại để giữ sợi quang vị trí Các chi tiết mảnh ghép Connector khác nhng có phận uốn đai hÃm để ghép thành phần sợi vỏ cáp vào thân Connector Cáp: đợc nối vào thân Connector Nó đóng vai trò nh đờng vào sợi Điển hình, chụp giảm sức căng đợc thêm vào mối nối cáp thân Connector để gia cờng học cho mối nối Đầu ghép Đai nối Đai hÃm Đầu sợi quang Hình 57: Cấu trúc thông thờng nối sợi quang Thiết bị nối ghép: hầu hết Connector quang không sử dụng cấu hình điện tử đực Thay vào đó, thiết bị nối ghép nh măng sông dóng thẳng đợc sử dụng để ghép Connector Các thiết bị tơng tự đợc lắp bên phát thu cho phép thiết bị ghép hợp qua Connector Cấu trúc nối sợi quang nh hình vẽ 57 Optical Fiber Communication 217 Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 5.3.1.2 Các loại connector quang Mỗi loại Connector có u điểm riêng phù hợp với yêu cầu sử dụng Một số connector đợc sử dụng phổ biến thực tế gồm: a Bộ nối ST Bộ nối ST loại phổ biến cho mạng sử dụng sợi đa mode Nó có vòng nối sắt hình trụ ôm lấy sợi Phần lớn vòng nối hình trụ đợc làm từ gốm nhng số làm từ kim loại nhựa Loại có tính đàn hồi cao, sợi quang đặt vào vị trí cách xác b Bé nèi FC&PC Bé nèi FC&PC (tiÕp xóc ®iĨm) sư dụng vòng độn để giữ cho phận từ cáp tiếp xúc tới nối Một đai ốc hÃm có ren đợc vặn chặt để cố định phận Sợi quang đợc đặt vòng sắt, nối FC có vòng sắt đầu phẳng nối PC có đầu nhọn Sợi lắp èng mao dÉn cã thĨ co gi·n chÕ t¹o b»ng gốm Alumin FC gốm nối PC Sự liên kết nối xác nhng không thích ứng với loại cáp có đờng kính lớn 3mm, chúng đợc giới hạn sử dụng cho cho dây nối (dây nhảy quang) Dây nối đoạn cáp quang nối kết thiết bị đo thử với máy phát máy thu đoạn sợi ngắn cắm vào nguồn tách quang Suy hao nối lớn 0,5dB, chúng đợc sử dụng hệ thống tốc độ cao phản xạ thấp c Bộ nối SC Bộ nối SC đợc dùng rộng rÃi hệ thống đơn mode có hiệu cao với chốt chuyển động đẩy kéo đơn giản Nó đáp ứng tốt cấu hình kép d Bộ nối LC Bộ nối LC loại connector mới, dùng đệm hình trụ gốm cã kÝch th−íc nhá (1.25mm) b»ng mét nưa lo¹i ST Đây 218 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn connector tiêu chuẩn dễ để lắp đặt, hiệu cao đợc a dùng sợi đơn mode e Bộ nối MT Bé nèi MT lµ mét connector kÐp víi nhiỊu ống hình trụ đợc làm polime Nó dùng chân cho việc đặt sợi quang thẳng hàng Loại chia thành kiểu đực dùng để nối với Thông thờng MT đấu nối 12 sợi quang Ngoài nhiều loại connector khác nh E200/LX FDDI, ESON Các loại ST, SC, FC, FDDI, ESON cã cïng kÝch cì lµ 2.5 mm vµ cã thĨ ghÐp nèi víi b»ng viƯc dïng nối chuyển đổi Bảng 51: Giới thiệu số loại Connector số đặc điểm kỹ thuật cđa chóng B¶ng 5‐1 Bé nèi Suy hao (dB) KiĨu sỵi øng dơng FC 0,5‐ 1,0 SM, MM FDDI 0,2‐0,7 SM, MM Mạng liệu, mạng viễn thông Mạng quang 0,15 (SM) 0,10 (MM) SM, MM Mèi ghÐp mËt ®é cao 0,3‐1,0 SM, MM Mèi ghÐp mËt ®é cao SC 0,200,45 SM, MM Mạng liệu SC duplex 0,200,45 0,4 (SM) 0,5 (MM) SM, MM Mạng liệu Internet/Intranet, cấc toµ nhµ,an ninh… LC MT Array ST SM, MM 5.3.1.3 Lắp nối quang Optical Fiber Communication 219 Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Phơng pháp lắp Connector vào sợi quang tùy theo dạng Connector Có thể tham khảo bớc cách ghép nối sợi quang Cắt cáp dài chiều dài yêu cầu 2.54 cm Cẩn thận lột vỏ sợi với thiết bị tuốt vỏ chuyên dụng Cắt bỏ thành phần gia cờng bỏ lớp vỏ Lớp vỏ sợi tháo bỏ theo cách: + Ngâm sợi sơn pha loÃng với nớc phút lau vải mền + Dùng thiết bị tuốt cẩn thận tuốt vỏ sợi Hình 58: Quá trình lắp Connector 220 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công CÈn L−u ý r»ng sư dơng thiÕt bÞ tt vỏ chế tạo đặc biệt để sử dụng không dùng thiết bị tuốt sợi kim loại để tránh h hỏng làm yếu sợi quang Làm kỹ sợi trần vải mềm thấm cồn Tuyệt đối không đợc lau sợi quang vải khô Connector kết nối cách sử dụng xì uốn nếp Nếu sử dụng xì hơi, điền đầy lợng khí vừa đủ vào Connector để giọt epoxy đợc tạo thành đầu Connector Đa sợi quang vµ tt vá vµo Connector Xư lý epoxy theo h−íng dẫn nhà sản xuất Giữ chặt thành phần bền cáp vào thân Connector Điều tránh ứng suất trực tiếp lên sợi Trợt đầu Connector vào vị trí thích hợp Chuẩn bị bề mặt sợi để thu đợc hiệu tốt cách cắt mài đầu sợi quang Trớc hoàn thành kết nối, đầu sợi phải nhẵn mịn, dị tật nh gÃy, xơ Những dị tật với không tinh khiết, bám bẩn làm thay đổi đờng truyền ánh sáng gây tán xạ Quá trình lắp connector đợc thể hình 58 5.3.2 Các ghép sợi quang Bộ ghép thuật ngữ chung để thiết bị kết hợp ánh sáng vào sợi quang chia ánh sáng từ sợi quang Tổng quát nói ghép quang thiết bị mang tín hiệu quang từ hay nhiều cửa vào đến hay nhiều cửa Các ghép sử dụng cho sợi đơn mode đa mode, ứng dụng lớn mạng nội LAN, cho phép kết nối thông tin phải gửi đến đầu cuối khác nhau, máy tính mà ngời sử dụng yêu cầu Các ghép đợc sử dụng cho trình ghép kênh điều khiển hệ thống Khi sử dụng ghép kênh phân chia theo bớc sóng, sợi quang cã thĨ mang ®ång thêi nhiỊu tÝn hiƯu sư dụng bớc sóng khác Một sợi đơn mode sử dụng ghép định hớng hai chiều đợc dùng cho phát thu Optical Fiber Communication 221 Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn tín hiệu quang Các ghép dùng để chia tín hiệu quang từ sợi quang qua nhiều sợi khác 5.3.2.1 Các ghép quang thụ động Các ghép quang thụ động chia tín hiệu quang thành hai nhiều phần, có hai kiểu ghép cổ điển ghép hình ghÐp h×nh T a Bé ghÐp h×nh sao: Tia bËc cao Tia bậc thấp Lõi Vỏ Hìnhvẽ 59: Mặt cắt ngang ghép hình Bộ ghép hình phân phèi ngang b»ng ¸nh s¸ng tíi tõ bÊt kú sợi cổng quang tới 64 sợi cổng Bộ ghép hình điểm phân phối trung tâm mạng số liệu Hai kiểu chủ yếu ghép hình kiểu truyền dẫn kiểu phản xạ Bộ ghép hình kiểu truyền dẫn định hớng cô lập tín hiệu quang từ cổng khác Bộ ghép hình kiểu phản xạ phân phối công suất vào đến tất cổng nó, có nghĩa ghép loại rẽ nhánh b Bộ ghép hình T: Bộ ghép hình T cã ba cỉng mét cỉng vµo vµ cỉng thø ba cổng khoá, ánh sáng vào không bị chia ngang ba sợi nhng đợc chia với tỷ số chia công suất khác Bộ ghép hình T cung cấp đầu rẽ bus số liệu điểm lựa chọn Bộ ghép 222 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn hình T bị giới hạn số nhánh rẽ, làm giảm mức tín hiệu máy thu yêu cầu 5.3.2.2 Suy hao bé ghÐp Suy hao cđa bé ghÐp cã thĨ v−ỵt giới hạn mà ngời thiết kế mong muốn phải tính toán, công suất tổng không lớn công suất vào Suy hao ghép tỷ số công suất đà chia với công suất vào, tính dB Nếu công suất đợc chia ngang suy hao nhỏ 3dB Suy hao thêm vào lý thuyết gọi suy hao vợt Ba kiểu suy hao thờng đợc tính toán là: suy hao xen vào (IL), suy hao chia (SL) suy hao vợt (EL) Suy hao xen vào xác định công suất mát tín hiệu truyền từ đầu vào riêng biệt đến đầu riªng biƯt IL = -10log P out (5‐4) P in Trong đó: IL suy hao xen vào tính dB Pout công suất ra, Pin công suất vào Suy hao chia chia công suất đầu ghép cho phơng trình (55) SL = 10log N Trong N số đầu Suy hao vợt chênh lệch suy hao xen vào suy hao chia: EL=IL–SL Optical Fiber Communication (5‐6) 223 C¬ së kü thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Các từ viết tắt A/D AM Analogue/Digital Amplitude Modulation Bộ biến đổi Tơng tự/Số Điều chế biên độ APD Avalanche Photodiode Diode t¸ch sãng quang th¸c BER Bit Error Rate Tû sè lỗi bit CCITT International Telegraph and Hội đồng t vấn điện thoại điện báo quốc tế D/A Telephone Consulative Committee Digital/Analogue E Electrical Điện trờng E/O Electrical/Optical Bộ biến đổi Điện / Quang EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi có pha Bộ biến đổi Số/Tơng tự FM Frequency Modulation tạp Erbium Điều chế tần số FWM Four Wave Mixing HiƯu øng trén b−íc sãng GI Graded Index ChØ sè Gradient (chiÕt suÊt IF Intermediate Frequency biÕn đổi) Trung tần IM/DD Intensity Modulation Direct Điều chế cờng độ tách trực ITU Detection International 224 tiếp ban viƠn th«ng qc tÕ Optical Fiber Communication Chu Công Cẩn Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Telecommunication Union LAN Local Area Network M¹ng néi h¹t LD Laser Diode Diode Laser LEAF Large Effective Area Fiber Sỵi cã vïng hiÖu øng réng LED Light Emitting Diode Diode phát quang LO Local oscillator Bộ dao động nội LS Light Source Nguån quang M Magnitude Tõ tr−êng MFD Mode Field Diameter Đờng kính trờng mode MM Multi Mode Sợi ®a mode NA Numerical Aperture KhÈu ®é sè NRZ Non Return Zero Không trở NZDSF NonZero DispersionShift Sợi dịch tán sắc không trở O/E Fiber Optical/Electrical OFDR Optical Frequency Domain Máy đo phản xạ miền tần số OTDR Reflectormetry Optical Time Domain quang Máy đo phản xạ miền thời PDH Reflectormetry Plesiochronous Digital gian quang Phân cÊp sè cËn ®ång bé Optical Fiber Communication Bé biÕn đổi Quang/Điện 225 Chu Công Cẩn Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Hierarchy PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cùc ppb part per billion PhÇn tû ppm part per million PhÇn triƯu RF Radio Frequency Cao tÇn RZ Return Zero Trở SBS Stimulatted Brilouin Scattering Tán xạ Brillouin kÝch thÝch SDH Synchronous Digital Hierarchy Ph©n cÊp sè ®ång bé SI Step Index ChØ sè chiÕt suÊt ph©n bậc SLA Semiconductor Laser Bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLT Amplifier Subscribe Line Terminal Thiết bị đầu cuối đờng dây SM Single Mode thuê bao Đơn mode SNR Signal Noise Rate Tû sè tÝn hiƯu/NhiƠu SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SPM Self Phases Modulation Hiệu ứng tự điều chế pha SRS Stimulatted Raman Scattering Tán Xạ Raman kÝch thÝch STM‐N Synchronous Transport Modul trun dÉn ®ång cấp 226 Optical Fiber Communication Chu Công Cẩn Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Module Level N N UV Utral‐Violet Cùc tÝm VC Virtual Container Container ¶o WDM Wavelength Division GhÐp kªnh theo b−íc sãng XPM Multiplexing Cross Phases Modulation HiƯu øng ®iỊu chÕ pha chÐo Optical Fiber Communication 227 Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Ti liệu tham khảo Optical communication systems ‐ Federico Tosco ‐ Preutice hall Interuational ‐ 1990 [1] Fiber optic communication design handbook ‐ Robert J.Hoss ‐ Engle woood Ceiffs ‐ New Jersey ‐ 1990 [2] Fiber Optics Handbook For Engineers and Scientists ‐ Frederick C Allard ‐ McGraw ‐ Hill International Editions ‐ 1990 [3] Optical Fiber Communication ‐ Gerd Keiser ‐ McGraw ‐ Hill International Editions ‐ 1991 [4] [5] Fiber Optics ‐ Robert J.Hoss ‐ Prentice hall PTR ‐ 1993 [6] Wavelength Division Mutiplexing, J.P.Laude, Prentice Hall, 1993 Semiconductor Optoeclectronics Physics and Technology ‐ Jasprt Singh ‐ McGraw ‐ Hill International Editions ‐ 1995 [7] Optical Communication Networks ‐Biswanath Mukherjee ‐ McGraw‐Hill ‐ San Francisco ‐ 1997 [8] Optical Networks: A Practical Perspective ‐ Rajiv Ramaswami, Kumar N Sivarajan ‐ Morgan Kaufmann‐San Francisco, California ‐ 1998 [9] Fiber ‐ Optic Communication System ‐ Govind P Agrawal ‐ John Wiley & Son, Inc‐ 2002 [10] Rare‐Earth‐Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Michel J F Digonnet, Stanford University, 2002 [11] 228 Optical Fiber Communication C¬ së kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Mục lục Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.1 Kh¸i qu¸t chung 1.1.1 Các hình thức hệ thống thông tin 1.1.2 Sù ph¸t triĨn cđa hƯ thèng thông tin quang 1.2 Nguyên lý tỉ chøc hƯ thèng th«ng tin quang 1.2.1 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang 1.2.2 Các phần tử tuyến truyền dẫn quang 1.3 Ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang 1.4 Phân loại hệ thống thông tin quang 1.4.1 Phân loại 1.4.2 Ph¹m vi øng dơng cđa hƯ thèng trun dÉn quang 1.5 Mô hình đặc tính hệ thống 1.5.1 Các tham số điện quang 1.5.2 C¸c tham số quang tham số đờng quang Chơng 2: Sợi quang 2.1 Kh¸i qu¸t chung 2.1.1 B¶n chÊt cđa ¸nh s¸ng 2.1.2 Các đại lợng đặc trng sóng ánh sáng 2.1.3 Nguyên lý trun ¸nh s¸ng 2.2 CÊu trúc sợi quang 2.2.1 Cấu tạo sợi quang 2.2.2 Phân loại sợi quang 2.2.3 VËt liệu chế tạo sợi quang 2.3 Sự lan truyền ánh sáng sợi quang 2.3.1 Phơng pháp quang hình học 2.3.2 Phơng ph¸p quang häc sãng 2.4 Các đặc tính sợi quang 2.4.1 Suy hao truyÒn dÉn sợi quang 2.4.2 Đặc tính tán sẵc sợi quang 2.4.3 Tán sắc vật liệu 2.4.4 Tán sắc mode phân cực 2.4.5 Đặc tính học Sợi quang 2.5 Công nghệ chế tạo Sợi quang 2.5.1 Quy trình chế tạo sợi trun thèng 2.5.2 Quy tr×nh chế tạo sợi quang APVD 5 12 12 13 15 17 17 21 21 22 22 25 25 25 28 29 30 30 32 36 39 40 47 50 50 61 64 66 69 72 72 73 Optical Fiber Communication 229 C¬ së kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 2.6 Cáp sợi quang 80 2.6.1 Các biện pháp bảo vệ sợi 2.6.2 Các phần tử cáp quang 2.6.3 ứng dụng cáp sợi quang viễn thông 2.7 Một số phơng pháp đo sợi quang 2.7.1 Các phơng pháp Đo suy hao sợi quang 2.7.2 Đo tán xạ dải thông sợi quang Ch−¬ng 3: Nguån quang 3.1 Nguyªn lý cđa laser 3.1.1 Sự xạ ánh sáng không kết hợp: 3.1.2 Sự xạ ánh sáng kết hợp Nguyên lý Laser 3.2 Nguyên lý xạ ánh sáng Laser bán dẫn 3.2.1 Nguyªn lý 3.2.2 Hiệu ứng trích động tử qua tiêp gi¸p p‐n 3.3 Diode ph¸t quang LED (Light Emitting Diode) 3.3.1 Cấu trúc cđa diode ph¸t quang LED 3.3.2 C¸c loại diode phát quang 3.3.3 Các đặc tính LED 3.3.4 GhÐp ¸nh s¸ng tõ LED vào sợi 3.4 Laser bán dÉn 3.4.1 Giới thiệu loại laser phân loại 3.4.3 Các cấu trúc Laser đơn mode sử dụng TTQ 3.4.4 Các đặc tính laser bán dẫn 3.5 Điều biến nguồn quang 3.5.1 Kh¸i niƯm 3.5.2 Đặc tuyến điều biến tĩnh 3.5.3 Đặc tính ®iÒu biÕn ®éng 3.6 Cấu trúc nguyên lý phát quang 3.6.1 Nguån ph¸t quang 3.6.2 Mạch điều khiển Chơng 4: Các bé t¸ch sãng quang 4.1 Kh¸i qu¸t 4.2 Diode t¸ch quang PIN (Positive Intrinsis Negative) 4.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 4.2.2 HiƯu st l−ỵng tư hoá thời gian đáp ứng 4.3 Diode quang th¸c APD (Avalanche Photo Diode) 4.3.1 HiƯu øng th¸c 230 80 85 88 94 94 105 115 115 115 117 120 120 121 124 124 129 133 142 145 145 153 162 171 171 173 175 180 181 183 184 184 185 186 189 191 191 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu C«ng CÈn 4.3.2 CÊu tróc cđa APD 192 4.3.3 Tác động nhiệt độ vào hệ số khuếch đại quang thác 4.4 NhiƠu cđa bé t¸ch quang 4.4.1 C¸c ngn nhiƠu 4.4.2 Tû sè tÝn hiƯu trªn nhiễu (S/N) 4.5 Đáp øng thêi gian cđa c¸c bé t¸ch quang 4.5.1 Dòng quang điện miền trôi 4.5.2 Thời gian đáp ứng 4.6 VËt liÖu chÕ t¹o photodiode 4.7 CÊu tróc nguyªn lý bé thu quang 4.7.1 Module t¸ch sãng PD 4.7.2 Bộ khuếch đại c©n b»ng 4.7.3 Bé biÕn ®ỉi ngn DC/DC 4.7.5 Mạch định DEC Chơng 5: Các nối ghép thông tin sỵi quang 5.1 Giíi thiƯu chung 5.1.1 Các yếu tố ảnh hởng tới suy hao đấu nèi 5.1.2 §o thư suy hao cđa ®Êu nèi 5.2 C¸c phơng pháp hàn nối sợi quang 5.3 Các ghép nối sợi quang 5.3.1 Các nối sợi quang 5.3.2 Các ghép sợi quang Optical Fiber Communication 194 195 196 199 199 199 201 203 205 207 207 208 209 211 211 211 214 215 216 216 221 231 ... thông tin quang 14 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1.3Ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang Sự trởng thành khả rộng lớn hệ thống thông tin cáp quang. .. Fiber Communication 11 Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn 1.2 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang 1.2.1 Nguyên lý tổ chức hệ thèng th«ng tin quang Mét hƯ thèng trun dÉn quang. .. giảm 50% so với giá trị tần f = 1.5.2 Các tham số quang tham số đờng quang Công suất phát quang 22 Optical Fiber Communication Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang Chu Công Cẩn Đây công suất quang