Tài liệu Công nghệ thông tin sợi quang &amp sdh

ĐỀ TÀI: Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

LỜI NÓI ĐẦU

Chóng ta đang b­ước vào thế kỷ 21 - kỷ nguyên của xă hội thông tin. ở đó, vai tṛ của thông tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành, mỗi quốc gia. Công nghệ điện tử - viễn thông ngày nay càng có vai tṛ quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và phục vụ đời sống của con ngwời. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, công nghệ điện tử - viễn thông đang có sự phát triển vư­ợt bậc, nó thực sự là một mũi nhọn quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nư­ớc. Trong công nghệ điện tử - viễn thông kỹ thuật thông tin cáp sợi quang là lĩnh vực c̣n mới mẻ nh­ưng đă kết hợp đư­ợc những thành tựu khoa học và công nghệ tiên tiến trên thế giới. Hiện nay kỹ thuật thông tin cáp sợi quang đă đ­ược ứng dụng rộng răi trên toàn thế giới.

Kỹ thuật thông tin cáp sợi quang có thể tạo ra hệ thống truyền dẫn đa kênh đồng thời từ lĩnh vực chuyển mạch điện tử chuyển sang chuyển mạch quang. Kỹ thuật truyền dẫn SDH có rất nhiều ư­u thế so với kỹ thuật PDH trư­ớc đó. Đó là quá tŕnh ghép kênh đơn giản, linh hoạt và giảm đ­ược đáng kể l­ượng thiết bị trên -mạng. Kỹ thuật SDH cung cấp các giao diện tốc độ lớn cho các dịch vụ trong tư­ơng lai đồng thời vẫn hoàn toàn tư­ơng thích với mọi giao diện PDH đang tồn tại. SDH tạo ra các khả năng quản lư tập trung thống nhất làm thay đổi hoàn toàn quan niệm về hệ thống tr­ưóc đó.

Đ­ợc sự giúp đỡ tận t́nh của thầy giáo Thái Vĩnh Hiển cùng với sự cố gắng của bản thân trong quá tŕnh thực hiện nên đồ án của em đă đ­ược hoàn thành.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong trư­ờng đă giúp đỡ em hoàn thành công việc của ḿnh.

V́ thời gian có hạn chắc chắn đồ án của em c̣n nhiều thiếu sót. Vậy em mong đ­ược sự đóng góp chỉ bảo của các thầy, cô và các bạn.


Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2003
Sinh viên
Nguyễn Thế Mạnh



Phần I
Công nghệ thông tin sợi quang
******
Chương 1
Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang

1.1. Khái quát chung

Từ xưa để thông tin cho nhau, con người đă biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu, qua thời gian dài của sự phát triển lịch sử nhân loại, các h́nh thức thông tin ngày càng được phát triển phong phú và đă trở thành các h́nh thức thông tin hiện đại như ngày nay. Ở tŕnh độ phát triển thông tin bậc cao các hệ thống thông tin quang đă nổi lên và là h́nh thức thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đă được triển khai hầu hết trên thế giới và đủ mọi cấu h́nh linh hoạt ở các cự ly và tốc độ truyền dẫn khác nhau, đảm bảo chất lượng viễn thông tốt nhất.

1.2. Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang

Hệ thống thông tin quang là hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Tín hiệu thông tin được chuyển thành ánh sáng và ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, ánh sáng được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu.

T/h vào T/h ra


NTH SQ NTH

H́nh 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang

- NTH: Nguồn tín hiệu bao gồm tiếng, nói, h́nh ảnh, số liệu, văn bản.
- PĐT: Phần đIện tử: là nơI xử lư nguồn tin tạo ra các tín hiệu điện đưa vào các hệ thống truyền dẫn.
- E/O: Bộ biến đổi điện quang gọi là nguồn quang có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỉ lệ với ḍng điện chạy qua nă.
- SQ: Sợi quang để truyền ánh sáng nh́n thấu được và tia hồng ngoại.
- O/E:Bộ biến đổi quang điện gọi là linh kiện tách sóng quang (thu quang) là nơi tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tín hiệu điện nh­ khi phát.

Chất lượng của các linh kiện biến đổi quang - điện, điện - quang và chất lượng sợi quang quyết định cự ly, dung lượng cũngnh­ chất lượng của toàn tuyến truyền dẫn quang.

Quá tŕnh chuyển tiếp tín hiệu do bị suy hao nên phải có các trạm lắp, năng lực truyền dẫn của hệ thống thông tin quang là truyền dẫn ở dải tần rất rộng và khoảng cách trạm lặp rất lớn: Tham sè quan trọng nhất của cáp sợi quang quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quanh theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại 3 vùng mà tại đó có suy hao thấp nhất là các vùng có bước sóng này được gọi là cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng, các hệ thống thông tin quang hiện nay chủ yếu hoạt động ở cửa sổ thứ hai và ba v́ suy hao ở các cửa sổ này rất nhỏ.



























Chương 2
Sợi quang
2.1. Nguyên lư phản xạ.

2.1.1. Chiết suất của môi trường.

Chiết suất của một môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường Êy.

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]n = c/v

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
n: chiết suất của môi trường
c: vận tốc ánh sáng trong chân không.
v: vận tốc ánh sáng trong môi trường.

V́ v £ c nên n ³ 1.
Chiết suất của không khí n=1,00029
Chiết suất của nước n=1,333
Chiết suất của thuỷ tinh n=1,48

2.1.2. Nguyên lư phản xạ toàn phần.

Nguyên lư cơ bản của truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môitrường, khi đó tia sáng đi từ môi trường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn.




P P
(1)
b
n[SUB]2[/SUB] n[SUB]2[/SUB]
(2)
n[SUB]1[/SUB] n[SUB]1[/SUB]
(2) aT
aT
[SUB] (1)[/SUB] a Vùng phản xạ toàn phần



H́nh 2.1 Nguyên lư phản xạ toàn phần

Cho mét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n[SUB]1[/SUB] sang môi trường có chiết suất n[SUB]2[/SUB] (n[SUB]1 [/SUB]> n[SUB]2[/SUB]). Tia tới (tia1) hợp với pháp tuyến P một góc a (a là góc tới). Khi tia sáng đi sang môi trường 2 tia sáng bị khúc xạ, tia khúc xạ hợp với pháp tuyến một góc b (blà góc khúc xạ).
Theo định luật khúc xạ Snell ta có:
n[SUB]1[/SUB]. sina = n[SUB]2[/SUB]. sinb (1)

Khi góc a = aT tức là tia tới (1) dịch tới vị trí (2) lúc này tia khúc xạ không đi vào môi trường 2 nữa mà đi song song với giải phân cách giữa 2 môi trường do đó góc khúc xạ: b = bT = 90[SUP]0[/SUP].

Theo (1) th́ ta có:
SinaT = n[SUB]2 [/SUB]/ n[SUB]1[/SUB] (v́ sinb = Sin 90[SUP]0[/SUP] =1)

Khi cho tia tới đến góc tới a > aT th́ tia sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1, gọi góc aT là góc tới hạn. Độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ lệch chiết suất của hai môi trường.

Điều kiện để có phản xạ toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n[SUB]1[/SUB]) sang môi trường kém chiết quang hơn (n[SUB]2[/SUB]).

- Góc tới lớn hơn góc tới hạn.


2.1.3. Truyền ánh sáng trong sợi quang.

Để dễ dàng nhận thấy quá tŕnh tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang, ta xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ số chiết suất phân bậc v́ kích thước lơi của sợi này lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng mà ta xét. Để đơn giản ta chỉ xét một tia sáng đặc trưng thuộc về loại tia tương hợp thể hiện là mode sợi.

Có hai loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là:

· Các tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi có hai loại tia kinh tuyến là:

- Tia biên là tia tồn tại trong lơi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lơi sợi.

- Tia ngoài biên là tia khúc xạ ra ngoài lơi sợi.

· Các tia nghiêng có số lượng nhiều gấp bội tia kinh tuyến nó không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào, các tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọc theo sợi. Các tia này có đường đi dài hơn và thường bị suy hao lớn hơn.

Nh́n chung việc đi vào phân tích loại tia nghiêng là không cần thiết v́ nó không phản ánh về các tia lan truyền trong sợi. V́ vậy chỉ xem xét các tia kinh tuyến mới có ư nghĩa cho mục đích này.

Tuy nhiên các tia nghiêng cũng góp phần vào kết luận quá tŕnh tiếp nhận các tia sáng và suy hao tín hiệu của sợi dẫn quang.

Các tia kinh tuyến được thể hiện trong h́nh dưới là xét cho loại sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Vá n tia khúc xạ
Chiết suất n f lơi n1
Trục sợi q tia phản xạ
Góc tiếp q0
nhận vá n2


H́nh 2.2 Tia kinh tuyến biểu hiện quá tŕnh tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất phân bậc

Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trường có chiết suất n và hợp với trục sợi một góc qo. Các tia này đập vào ranh giới vỏ và lơi dưới một góc f với pháp tuyến của ranh giới. Nếu góc f lớn hơn góc nào đó để đảm bảo tia đó bị phản xạ toàn phần th́ tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich rắc dọc theo lơi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần phản xạ.

Theo định luật Snell th́ góc fmin tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xác định:

Sin fmin = n[SUB]2[/SUB]/n[SUB]1[/SUB] (1)

Nh­ vậy mọi tia sáng khi chạm vào ranh giới hai môi trường với góc nhỏ hơn fmin sẽ bị khúc xạ ra ngoài lơi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ.

Điều kiện của phương tŕnh (1) sẽ bị ràng buộc với góc vào (góc tiếp nhận) lớn nhất qomax theo phương tŕnh


[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD](2)

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Trong đó : qc là góc tới hạn

Do vậy các tia có góc vào qo < qomax th́ sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới lơi vỏ sợi dẫn quang.

Phương tŕnh (2) cũng xác định khẩu độ số NA của sợi có chỉ số chiết suất phân bậc đối với các tia kinh tuyến.


[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD](3)

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Với D là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lơi vỏ.
Sợi chiết suất phân bậc trong thực tế n1=1,48


N2 thường chọn D vào khoảng 0,01.

Các giá trị nằm trong khoảng 1¸3% đối với sợi đa mode.
0,2¸1% đối với sợi đơn mode.

Vế phải của phương tŕnh là giá trị cho các trường hợp và <1. V́ khẩu độ số có liên quan đến góc vào lớn nhất cho nên nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sangư và khả năng tập trung các tia sáng của sợi v́ thế mà cho phép ta tính toán được hiệu quả của quá tŕnh ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang. Giá trị của khẩu độ số luôn nhỏ hơn 1 đơn vị và nằm trong dải 0,14¸0,5.
Bảng kích thước sợi và khẩu độ tương ứng

[TABLE]
[TR]
[TD]Đường kính lơi sợi (mm)
[/TD]
[TD]Đường kính vỏ phân xạ (mm)
[/TD]
[TD]Khẩu độ số
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]50
62,5
85
100
[/TD]
[TD]125
125
125
140
[/TD]
[TD]0,19 ¸ 0,25
0,27 ¸ 0,31
0,25 ¸ 0,30
0,25 ¸ 0,30
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

2.2 Phân bố chiết suất trong sợi quang.

2.2.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (Sợi SI: Step-Index).

Đây là sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lơi và lớp bọc khác nhau một cách rơ rệt như h́nh bậc thang. Các tia sáng đi từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với các góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau.




[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]




[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]n2

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
n







H́nh 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi (SI)

Các tia sáng truyền trong lơi sợi với cùng vận tốc (v́ V = C/n[SUB]1[/SUB], n[SUB]1[/SUB]= Const) khi đó chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng chiều dài sợi quang. Điều này dẫn đến một hiện tượng: Khi đưa một xung ánh sáng vào đầu sợi lại nhận được xung ánh sáng rộng hơn ở đầu cuối. Đây là hiện tượng tán sắc (dispersion).
Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua cù ly dài được. Nhược điểm này có thể được khắc phục trong loại sợi có chiết suất giảm dần.

2.2.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Graded-Index)

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lơi h́nh parabol.

n[SUB]1[/SUB][1-D(r/a)[SUP]2[/SUP]] , r £ a
n(r) = {
n[SUB]2 [/SUB] , a < r £ b

V́ chiết chiết suất thay đổi một các liên tục nên tia sáng truyền trong lơi bị uốn cong dần.

b n[SUB]2[/SUB]
a n[SUB]1[/SUB]

[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]n[SUB]1[/SUB]

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]n[SUB]2[/SUB]

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]n[SUB]2[/SUB]

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
o n(r)
a
b
n[SUB]1[/SUB](r)
H́nh 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI không bằng nhau, các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn, vận tốc truyền lớn hơn các tia truyền gần trục. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất và đi với vận tốc nhỏ nhất v́ chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất th́ đường đi của các tia sáng có dạng h́nh sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.

2.2.3. Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode:

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]




n




H́nh 2.5 Sù lan truyền ánh sáng trong sợi SI - SM

V́ chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mốt có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc. ở bước sóng l = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~ 0) do đó dải thông của sợi đơn mốt rất rộng. Hiện nay sợi đơn mode đang dược dùng phổ biến.


2.2.4. Sù lan truyền của các mode trong sợi quang

Mét mode là một trạng thái dao động điện từ. Các mốt của sóng điện từ có thể chia ra: Mode lơi với tổn hao thấp, mode vỏ với tổn hao cao, các mode ṛ có đặc tính của cả hai loại mode trên. Khi đưa ánh sáng vào sợi quang, năng lượng phần lớn tập trung trong ruột sợi, phần năng lượng ṛ ra vỏ tạo ra các mode ṛ và mode vỏ bị dập tắt ngay. Người ta chỉ quan tâm tới các modes được truyền dẫn trong ruột sợi.

Đặc tính của các mode lan truyền :

[SUB]- [/SUB]Mỗi mét mode có một sự phân bố cường độ điện trường đặc trưng trên mặt cắt ngang của sợi quang và không đổi dọc theo trục của sợi khi lan truyền.

[SUB]- [/SUB]Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.

- Mỗi mét mode có tốc độ lan truyền riêng.

- Mỗi mode tồn tại một bước sóng nhất định của nguồn sáng: l<l[SUB]G[/SUB] (l[SUB]G[/SUB] là bước sóng giới hạn).

2.3. Sợi quang đa mode và đơn mode

2.3.1. Đặc điểm

Đặc điểm của sợi đa mode là truyền dẫn đồng thời nhiều mode. Sợi đa mode có đường kính ruột dk khá lớn c̣n sợi đơn mode th́ d[SUB]k[/SUB] rất nhỏ. Nếu hiểu mode là các tia sáng thành phần được truyền dẫn theo các đường đó khác nhau, c̣n trong sợi dơn mode chỉ có một mode là tia chạy song song với trục của sợi. Nếu cho vào đầu sợi một xung rất hẹp th́ ở đầu ra sợi đa mode và đơn mode nhận được các xung bị biến dạng khác nhau.

Theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi th́ người ta chia ra sợi có chiết suất bậc SI (Step Index) và sợi có chiết suất biến thiên GP (Graded Index)
Trong sợi SI chiết suất n[SUB]1[/SUB] không thay đổi và v́ n[SUB]1[/SUB]>n[SUB]2[/SUB] nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy.

Trong sợi GI chiết suất n[SUB]1[/SUB] của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần cho đến mặt phân cách vỏ ruột th́ bằng giá trị n[SUB]2[/SUB] của vỏ.

Sợi đơn mode được gọi là sợi SI


2.3.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại nhưng chủ yếu phân theo phương thức truyền dẫn trong sợi:
- Sợi đa mode : MM (MultiModes)
- Sợi đơn mode: SM (Single Mode)

Mode là phương thức truyền sóng trong sợi quang. Khi ánh sáng đi vào sợi quang bằng nhiều tia và độc lập nhau. Sợi quang truyền được nhiều tia gọi là MM, nếu chỉ truyền được một tia gọi là SM.



n




H́nh 2.6 Biểu diễn triết suất bậc SI-MM trong sợi đa mode.

2.3.3. Các loại sợi quang

a. Sợi đa mode
Có đường kính lơi và khẩu độ số lớn nên thừa số v và số mode cũng lớn.

Các thông số
Đường kính lơi d = 2a = 50 àm.
Đường kính lớp bọc D = 2b = 125àm.
Độ lệch chiết suất D = 0,01 =1%.
Chiết suất lớn nhất của lơi n[SUB]1[/SUB]=1,46.


.