Tài liệu hệ thống thông tin quang

ĐỀ TÀI: hệ thống thông tin quang

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng vai tṛ rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xă hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kĩ thuật rất đa dạng và phong phó.
Trong lĩnh vực viễn thông nhờ các thành tựu của công nghệ bán dẫn điện tử, công nghệ thông tin, những phát minh quang học, vi ba sè đă tạo nên bước nhảy vọt rất kỳ diệu. Dựa trên những thành quả đó, kĩ thuật thông tin quang ra đời và phát triển rất nhanh chóng ở nhiều quốc gia.
Thông tin quang đang được rất nhiều người quan tâm t́m hiểu nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian, chắc chắn trong tương lai thông tin quang sẽ hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả măn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người.
Mục tiêu của bản báo cáo này là nghiên cứu những nguyên lư cơ bản về thông tin quang. Báo cáo được bố cục theo nội dung sau:
Chương I : Cơ bản về hệ thống thông tin quang
Chương II : Lư thuyết chung về sợi dẫn quang
Chương III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang
Chương IV : Các linh kiện biến đổi quang điện
Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, các thầy cô giáo đă dạy dỗ trong suốt quá tŕnh học tập và giúp đỡ em hoàn thành bản báo cáo này. Tuy nhiên do thời gian, tài liệu cũng như khả năng c̣n hạn chế, bản báo cáo này không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm, đóng góp ư kiến của các thầy cô và các bạn.


Chương I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

I. Quá tŕnh phát triển của các hệ thống thông tin quang.
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một trong những phát minh lớn nhất thế kỷ XX. Trên cơ sở lư thuyết bức xạ kích thích của Einstein và quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của Fabricant (GS trường đại học năng lượng Matxcova_1940), Townes_nhà vật lư Mỹ đă phát minh ra máy khuyếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích. Tháng 2/1960, Maiman chế tạo ra laser Rubi-Laser đầu tiên trên thế giới. Tháng 6/1960, Javan chế tạo ra laser khí He_Ne. Từ đó đă dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser. Đến nay, laser đă được chế tạo và ứng dụng rộng răi trong hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ và y tế. Nhưng ứng dụng quan trọng nhất là thông tin cáp sợi quang.
Về lư thuyết, nguồn laser có khả năng truyền dẫn băng rộng cực lớn (10 triệu kênh TV) nên trong đầu năm 1960, người ta đă thực hiện một số các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) để truyền tín hiệu. Kết quả thu được khá khả thi tuy nhiên các hệ thống thông tin khí quyển có nhược điểm là chi phí rất cao cộng với môi trường không khí không ổn định do chịu nhiều tác động của mưa, sương mù, tuyết, .
Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang v́ chúng có thể tạo ra những kênh thông tin tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí :
+ Ban đầu suy hao là vô cùng lớn (trên 1000dB/km)
+ 1966 : Kao Hockman và Wertst phán đoán những giá trị suy hao lớn này là do độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang
+ 1970 Kapron Keck và Maurer chế tạo ra sợi Silic có suy hao 20dB/km. Tại giá trị này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể sánh với hệ thống cáp đồng. Do đó đă đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật
+ Hai thập kỷ tiếp theo đă nghiên cứu và chế tạo ra được loại sợi có suy hao 0,16dB/km tại bước sóng λ = 1550nm (giá trị lư thuyết là 0,14dB/km).
Những ứng dụng đầu tiên của hệ thống thông tin sợi quang chủ yếu là các đường trung kế. Các tuyến số này gồm các kênh thoại 64Kbp được ghép TDM theo các chuẩn PDH của Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật. Từ những năm 90 trở lại đây, các tuyến sợi quang theo tiêu chuẩn SDH đă dần thay thế các tuyến PDH trên phạm vi rộng khắp. Ngoài ra sợi quang c̣n được sử dụng rộng răi trong nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng nội hạt, ISDN . với nhiều loại sợi (đa mode và đơn mode) ở nhiều bước sóng (850,1310,1550nm) trên nhiều khoảng cách (500m → n x 10km → n x 1000km) trong nhiều tuyến (cáp chôn, cáp treo, cáp quang biển).
















Trong tương lai, các hệ thống này c̣n sử dụng các mạng toàn quang bao gồm các thành phần chuyển mạch, bộ lặp, khối truy nhập mạng trên cơ sở công nghệ quang. Ngoài ra truyền dẫn soliton đang được nghiên cứu và phát triển.
II. Mô h́nh hệ thống.










Cấu trúc điển h́nh của một tuyến thông tin sợi quang được mô tả trên h́nh 2. Các phần tử chính bao gồm : nguồn sáng, sợi quang và bộ tách sóng quang (đi kèm là các mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu). Các phần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối và đường dây) và các bộ tách ghép (add/drop). Nói chung, tín hiệu điện (phát ra từ điện thoại, đầu cuối số liệu, máy Fax, .) được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện/quang (E/O). Khi đó, các mức tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện được biến đổi thành tắt/bật của án sáng và đưa tín hiệu này vào sợi quang. Các tín hiệu truyền lan trong sợi quang tới đầu thu, tại đây tín hiệu sẽ được biến đổi quang/điện (O/E), khôi phục lại tín hiệu ở phía phát.
+ Bé E/O chính là các linh kiện phát sáng nh­ LED, LD
+ Bé O/E chính là các linh kiện thu ánh sáng nh­ phôtdiode
+ Bộ lặp : biến đổi, tái tạo tín hiệu nhằm bù đắp sự suy hao trong quá tŕnh truyền dẫn
+ Bộ tách/ghép : tách/ghép tín hiêu đưa tới từ thiết bị khác.
III. Đặc điểm thông tin quang.
Hệ thống thông tin quang có một số ưu điểm so với các hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển do sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phát quang.














1). Đặc điểm chủ yếu của sợi cáp quang.
a/. Suy hao thấp : suy hao của cáp quang thấp hơn so với cáp song hành kim loại hoặc cáp đồng trục
b/. Độ rộng băng : cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục, mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào sợi cáp quang
c/. Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ : cáp sợi quang nhỏ về kích thước, nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng đường kính với cáp kim loại có thể chứa một số lượng lớn lơi sợi quang hơn số lượng lơi kim loại cùng cỡ. Các đặc điểm này của sợi có ưu điểm rất lớn khi lắp đặt cáp.
d/. Đặc tính cách điện : bởi v́ thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài (cáp diện cao thế, sóng vô tuyến và truyền h́nh) đặc tính này có một số ưu thế rất lớn trong một số các ứng dụng cụ thể. Như vậy không cần thiết phải tách cáp thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn cho công nhân cũng như ổn định chất lượng thông tin.
e/. Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang. So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn.Hơn nữa, một số lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất được một đoạn cáp quang dài.
2). Ưu điểm của các linh kiện thu phát quang.
+ Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao và băng rộng.
+ Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao.
+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn v́ các linh kiện có khả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn.
Trong hệ thống thông tin quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể lên tới vài chục kilomet do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băng rộng , linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao. Số lượng trạm lặp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim loại cổ điển, một vài tuyến điện thoại có thể liên lạc với nhau trực tiếp không thông qua bất cứ trạm lặp nào. Hệ thống thông tin sợi quang thực tế rất kinh tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng.
Hơn nữa, truyền dẫn ghép kênh dung lượng lớn cho phép thực hiện các dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn. Điều này sẽ làm cho giá thành dịch vụ giảm thấp.




Chương II : LƯ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI DẪN QUANG

I. Cơ sở quang học.
Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng. Chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng v́ rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lư của dao động laser.
1). Phổ sóng điện từ.
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem nh­ sóng hạt tính chất sóng hạt nổi bật trong từng vùng. Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số nh­ sau:
+ Tần số : kí hiệu : f, đơn vị : Hz
+ Bước sóng : kí hiệu : λ, đơn vị : m
+ Năng lượng photon : kí hiệu : E, đơn vị : ev
Các thông số trên sử dụng rộng răi trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các công thức sau :
C = λ.f
E = hf
Trong đó : - C là vận tốc ánh sáng
- C = 300.000km/s = 3.10[SUP]8[/SUP]m/s
- h là hằng số Planck, h = 6,625.10[SUP] – 34[/SUP]Js

2). Các định luật của ánh sáng.
Ta đă biết ánh sáng truyền thẳng trong môi trường đồng nhất (chiết suất không đổi), bị phản xạ hoặc khóc xạ tại biên ngăn cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Sự truyền thẳng, khóc xạ và phản xạ là ba đặc điểm của ánh sáng.
Một đặc điểm quan trọng khác của ánh sáng là : vận tốc lan truyền thay đổi theo chiết suất của môi trường mà ánh sáng lan truyền qua. Vận tốc ánh sáng trong khong khí là c = 300.000 km/s (chính xác là 2,9979 x 10[SUP]8 [/SUP]m/s với vận tốc này ánh sáng có thể đi 7,5 vùng quanh trái đất trong thời gian một giây). Trong môi trường có chiết suất khóc xạ lớn th́ vận tốc ánh sáng là v[SUB]as[/SUB] = c/n , trong môi trường không khí th́ chiết suất khóc xạ bằng 1.
a/. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Các định luật về ba đặc tính cơ bản của ánh sáng có thể giải thích bằng hiện tượng thực tế về vận tốc ánh sáng và một nguyên lư truyền ánh sáng theo đường thẳng có thời gian ngắn nhất khi so sánh với rất nhiều đường truyền khác nối giữa hai điểm (nguyên lư này gọi là nguyên lư Fecma).
+ Phản xạ
Xét tia sáng AO đi tới mặt gương (h́nh 4)
Tại O, tia sáng bị phản xạ, tia phản xạ OB
Ta có : góc tới Φ[SUB]i[/SUB] = góc phản xạ Φ[SUB]r[/SUB]


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


+ Khóc xạ
Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất
n[SUB]1 [/SUB]tới môi trường có chiết suất n[SUB]2[/SUB] (h́nh 5)
Ta có định luật Snell :
n[SUB]1[/SUB]. sinΦ[SUB]1[/SUB] = n[SUB]2[/SUB]. sinΦ[SUB]2[/SUB]


Hai công thức trên chính là định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng
b/. Hiện tượng phản xạ toàn phần.
Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n[SUB]1[/SUB] tới môi trường có chiết suất n[SUB]2[/SUB] < n[SUB]1[/SUB] (h́nh 6).







Khi đă, nếu ta tăng dần góc tới Φ[SUB]1[/SUB] th́ góc khúc xạ sẽ tiến dần tới 90[SUP]0[/SUP]
Φ[SUB]1[/SUB] → Φ[SUB]c[/SUB] th́ Φ[SUB]2[/SUB] = 90[SUP]0[/SUP]
Φ[SUB]c[/SUB] : được gọi là góc tới hạn
Tất cả các tia sáng có góc tới Φ[SUB]1[/SUB] > Φ[SUB]c [/SUB] th́ các tia sáng sẽ không đi được vào môi trường chiết suất n[SUB]2[/SUB] nữa mà bị phản xạ tại mặt phân cách → hiện tượng phản xạ toàn phần.
áp dụng định luật Snell ta có : sinΦ[SUB]c[/SUB] =
Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần.
3). Chiết suất của môi trường.
Chiết suất 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.
n = c/v
Trong đó n : là chiết suất của môi trường có đơn vị
c : là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s)
v : là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s)
II. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang.
1). Nguyên lư truyền dẫn chung.
Trong hệ thống thông tin quang sợi, ánh sáng được truyền theo suốt sợi quang giới hạn trong lơi v́ có hiện tượng phản xạ toàn phần.







2). Khẩu độ số NA.

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









Xét ba tia sáng (1), (2), (3) được đưa từ nguồn sáng tới sợi quang (h́nh 8). Tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành ba môi trường liền nhau có chiết suất khóc xạ khác nhau.
+ Không khí : n[SUB]o[/SUB] =1
+ Lơi sợi quang : n[SUB]1[/SUB]
+ Vỏ sợi quang : n[SUB]2[/SUB] < n[SUB]1[/SUB]
Xét tia sáng (2) từ không khí đi vào sợi bị khóc xạ vào lơi, đi tới bề mặt phân cách vỏ / lơi sợi quang có góc khúc xạ = 90[SUP]o[/SUP]
Tại biên của không khí và lơi, lơi và vỏ định luật Snell cho ta hai phương tŕnh :
+ sin( 90[SUP]o[/SUP] – Φ[SUB]c[/SUB] ) = ó cosΦ[SUB]c[/SUB] = ó sinΦ[SUB]c[/SUB] =
+ n[SUB]o[/SUB].sinΦ[SUB]max[/SUB] = n[SUB]1[/SUB].sinΦ[SUB]c[/SUB] ó sinΦ[SUB]max[/SUB] = n[SUB]1[/SUB].
ó sinΦ[SUB]max[/SUB] = = n[SUB]1[/SUB].
với ∆ = (độ lệch chiết suất tương đối)
sinΦ[SUB]max[/SUB] được gọi là khẩu độ số (NA)
Các tia sáng có góc tới lớn hơn góc Φ[SUB]max[/SUB] sẽ không lan truyền được trong sợi quang do bị khóc xạ vào vỏ sợi tại mặt phân cách vỏ / lơi [ tia (1) ].
Các tia sáng có góc tới nhỏ hơn góc Φ[SUB]max[/SUB] sẽ lan truyền được trong sợi quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.
Như vậy khẩu độ số (NA) cho ta biết điều kiện để đưa ánh sáng vào sợi quang : các tia sáng muốn lan truyền được trong sợi quang phải có góc tới nằm trong h́nh nón có góc đỉnh = 2Φ[SUB]max[/SUB] , NA là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang. Với cùng một đường kính lơi sợi NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép càng cao.
+ Sợi SI ta có : sinΦ[SUB]max[/SUB] = = n[SUB]1[/SUB].