các phương pháp truyền các tín hiệu trên sợi quang - sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

Với sự rađời của phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM thì phần nào đã giải quyêtđược vấn đề này, Đây là phương thức ghép kênh mà các tín hiệu quang được phânchia thành các bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học, nhữngnghiên cứu và phát minh mới được công bố, kéo theo đó là những công nghệ mớiđược ra đời Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và của khoa học kỹ thuật đòi hỏicon người phải liên tục đổi mới về công nghệ cũng như phương thức hoạt động,Ngành công nghệ thông tin cũng như điện tử viễn thông cũng không nằm ngoàiquy luật đó Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêu cầu vềthông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạng mới, nhữngcông nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhu cầu đó, song nếu sự rađời của các mạng mới mà không có sự thay đổi về băng thông, đường truyền thìcũng sẽ không đáp ứng được về dung lượng truyền dẫn cho các mạng đó hoạt độngmột cách hiệu quả nhất Với những yêu cầu bức thiết đó thì mạng thông tin quang

đã được ra đời và đưa vào sử dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây Mạngthông tin quang ra đời đã giải quyết được vấn đề về băng thông đường truyền chocác nghành thông tin truyền thông ở trên thế giới cũng như tại Việt Nam

Với băng thông lớn dung lượng dồi dào, thì mạng thông tin quang đã đápứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội Song để khai thác hết tiềm năngviễn thông này đòi hỏi phải có những công nghệ và phương thức mới đưa vào sửdụng để có được hiệu quả cao nhất Có rất nhiều công nghệ ghép kênh đã được sửdụng như: ghép kênh theo thời gian OTDM, ghép kênh theo tần số OFDM, songvẫn chưa thể đáp ứng cho nhu cầu về truyền dẫn, chi phí lắp đặt còn quá cao màhiệu quả lại khôn cao không tận dụng hết dải thông của nguồn ánh sáng Với sự rađời của phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM thì phần nào đã giải quyêtđược vấn đề này, Đây là phương thức ghép kênh mà các tín hiệu quang được phânchia thành các bước sóng và sau đó được ghép vào trên cùng một sợi quang vàđược truyền đi với phương thức mới này thì nó đã phần nào đáp ứng được băngthông truyền dẫn tín hiệu Nhưng nó vẫn chưa phải là phương thức hiệu quả nhất,bởi nó vẫn còn những nhược điểm cần phải khắc phục, và hơn nữa chưa tận dụnghết dải thông của nguồn ánh sáng Trong tương lai sẽ có những phương thức mới sẽ

được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin quang nhằm khai thác được hết dảithông của nó Để đường truyền dẫn tín hiệu thông tin đạt hiệu quả cao nhất Em đãchọn đề tài Thông tin quang và tìm hiểu Đề tài của em bao gồm ba chương:

CHƯƠNG I: Các phương pháp truyền các tín hiệu trên sợi quang

CHƯƠNG II: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG III: Những kết quả trong quá trình thực tập

Trong quá trình tìm hiểu được sự chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình của cô giáo

Ngô Thị Lành nên em đã hoàn thành được bản đồ án này trong khoảng thời gian

quy định, song là một sinh viên đang ngồi trên ghế nà trường, và kiến thức đang cònnhiều hạn chế nên sự tìm hiểu và nghiên cứu vẫn còn gặp nhiều khó khăn, chưa thể

đi sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm về nguyên lý cấu tạo cũng như hoạt động củacác thiêt bị thông tin quang Vẫn đang còn cần phải tìm hiểu học và học hỏi rấtnhiều, và em rất mong được các thầy cô giáo chỉ bảo và giúp đỡ em nhiều hơn để sựhiểu biết của em có thể được nâng lên, và hoàn thiện bản thân mình hơn, và em cũngxin các thầy, cô giáo cho em những nhận xét về cuốn đồ án này để em có thể hoànthiện hơn

Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn cô giáo Ngô Thị Lành đã nhiệt

tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và

em cũng xin được chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô Giáo trong và ngoài khoa

đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên cứu tạitrường để em có được một vốn hiểu biết mới

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 04 năm 2011

Sinh viên

Đinh Văn Chình

CHƯƠNG I: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

TRONG SỢI QUANG

I NGUYấN Lí TRUYỀN SểNG ÁNH SÁNG TRONG SỢ QUANG

Nguyên lí truyền sóng ánh sáng trong sợi cáp là để ánh sáng truyền từ đầusợi đến cuối sợi quang không bị mất ở lớp vỏ thì phải dựa vào hiện tợng phản xạ

ánh sáng toàn phần Nh ở phần nói về hiện tợng phản xạ toàn phần (III, Chơng I)

đã trình bày về điều kiện để xảy ra hiện tợng phản xạ toàn phần là:

+ n1 > n2

+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn

Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2 Vậy chỉ còn

điều kiện là góc tới t phải lớn hơn góc tới hạn th (t >th) Nên ngời ta đa rakhái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghépluồng bức xạ quang vào sợi

NA

n n n

n 1 n Sin

n

n 1 Sin

1 Cos

1 2 1 2 2 th

2 1 2 2 2 1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

1

2 2 2 1

n 2

n1



th

t



Vậy điều kiện để đạt đợc hiện tợng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đanguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở





th arcsin n1 2

II sự lan truyền của các mode trong sợi quang.

Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết đợc bản chất thực củacác quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phơng trình sóng Một mode đ-

ợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phơng trình sóng

và số lợng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn các phơngtrình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang

Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp.Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên

Dĩ nhiên khi đa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lợng tập trung trongruột sợi, còn phần năng lợng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay.Ngời ta chú ý đến các mode đợc truyền dẫn trong ruột sợi và các mode lantruyền có những đặc tính sau :

Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng

Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bớc sóng xác định của nguồn sáng

Thực tế phải tồn tại một bớc sóng giới hạn g sao cho các bớc sóng của cácmode đều phải tuân theo điều kiện  > g

Số lợng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/ nên

dk lớn hơn  nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dk rất nhỏ thì chỉ

có một mode cơ bản đợc truyền qua (sợi đơn mode) Ngời ta định nghĩa tham sốcấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá:

Hình 2 – 5: 5: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn

mode(c)

ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra đợc đa vào sợi với nhiều góc khác nhaunên sợi chạy theo nhiều đờng dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)vớichiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng đờng đi ngắnnhất (c) ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toànphần có nghĩa là ánh sáng đa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa góc

mở th

2 2 1 1

k

405 , 2

n d M

NA  

Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đa ra ánh sáng vào tại tâmlõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0

n2n1

max

max

Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đãchứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băngtần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại.

Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trng của các mode vì thực tế khôngphải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều đợc lantruyền đến cuối sợi Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện tợnggiao thoa

Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của mộtsóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bớc sóng, còn nếu hai bớc sóng

có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cờng chạy đến cuối đờng sợi mà ta gọi là cácmode

Về phơng tiện truyền sóng, có thể nói mode đợc đặc trng bởi sự phân bố ờng độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và đợc lan truyền với tốc độ xác

c-định

Xa hơn nữa, xét về phơng diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi

điều biến, nh thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rấtnhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bớc sóng nhất định

III các thông số của Sợi quang 3.1 Suy hao của sợi quang:

3.1.1.Định nghĩa:

Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo cự

ly với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao Biểu thức tổng quát củahàm số truyền công suất có dạng:

P(L)=P(0).10-.1/10

Trong đó : P(0) là công suất ở đầu sợi (L)

P(L) là công suất ở cự ly L tính từ đầu sợi

Hình 2 – 5: 6: Công suất truyền trên sợi quang

Độ suy hao của sợi quang tính bởi :

1

2

P

P log 10 ) dB (

P log 10 L

1 ) Km /

3.1.2.Các nguyên nhân gây ra suy hao.

a.Suy hao do hấp thụ.

Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ

ánh sáng Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất

b Suy hao do tán xạ.

Suy hao do tán xạ hay còn gọi là tiêu hao tán xạ Rayleigh, xuất hiện do

ảnh hởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguộisợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn Kích thớc của các chỗ không

đồng nhất còn nhỏ hơn bớc sóng ánh sáng Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bớcsóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 củabớc sóng :

tx ( ) ( )

Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bớc sóng nên giảm nhanh về phíabớc sóng dài nh hình 2-7

Hình 2 – 5: 6: Suy hao do tán xạ reyleigh

Suy hao do mặt phân cách giữa các lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo, lúc

đó tia sáng sẽ bị tán xạ Lúc nạy một tia tới có nhiều tia phản xạ với các gócphản xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới sẽ khúc xã ra lớp

vỏ bọc và đi ra ngoài và đi ra ngoài lớp bọc sau đó bị suy hao dần

c Suy hao do sợi bị uấn cong.

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uấn cong nhỏ thì suy hao của sợicũng tăng lên Sự phân bố trờng sẽ bị xáo trộn đi qua những chỗ uấn cong và dẫntới sự phát xạ năng lợng ra khỏi lõi khi sợi bị uấn cong với bán kính uấn congcàng nhỏ càng suy hao nhiều

3.1.3.Đặc tuyến suy hao.

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tơng quan theo bớcsóng ngời ta nhận đợc phổ của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng Một

đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode nh hình 2-7

Nhìn vào hình 2-7 ta thấy có ba vùng bớc sóng suy hao thấp nhất, còn gọi

là ba cửa sổ suy hao

* Cửa sổ thứ nhất:ở bớc sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ

(2-3)dB/Km, đợc dùng cho giai đoạn đầu

* Cửa sổ thứ hai : ở bớc sóng 1300nm Suy hao tơng đối thấp khoảng từ

(0,40,5) dB/Km, ở bớc sóng này độ tán sắc rất thấp nên đợc dùng rộng rãi hiệnnay

* Cửa sổ thứ ba : ở bớc sóng 1550nm Suy hao thấp nhất cho đến nay

khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thờng độ tán sắc ở bớc sóng 1550nm lớn

so với bớc sóng 1300nm Nhng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt

có thể giảm độ tán sắc ở bớc sóng 1550nm Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ cólợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bớc sóng 1550nm sẽ đợc sử dụng rộng rãitrong tơng lai.

Hình 2 – 5: 7: Đặc tuyến suy hao (phổ suy hao) của sợi quang

3.2.Tán sắc (Dispersion).

Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tợng giãn xung ở

đầu thu, thậm chí trong một số trờng hợp các xung lân cận đè lên nhau Khi đókhông phân biệt đợc các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh.Hiện tợng giãn xung này gọi là hiện tợng tán sắc Đối với tín hiệu Analog thì ảnhhởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịchpha

Hình 2 – 5: 8: ảnh hởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b) S chỉ tín

hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu a: Dẫn xung, b: xụt biên độ.

Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợibởi vì để thu đợc chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc,xung thứ hai mới đến.

Nếu hai xung liên tục đợc phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đèlên nhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bốGauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trịbiên độ 0,5 (mức 3dB) là s,e

Độ giãn xung là 2

e 2

s  





Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là :

) 36 , 0 / t exp(

1 BKhi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là:

C=1/s=1/=2,26.B=2.B

Nh vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C cóquan hệ ảnh hởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộngbằng khoảng 1 HZ nhng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nói rằng tốc độbit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn Từ đó, để sợi chophép truyền đợc các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng cần phải giảm

ảnh hởng của hiện tợng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặcchọn các tham số cấu trúc tối u của sợi

3.2.1 Các nguyên nhân gây ra tán sắc.

a.Tán sắc mode (Mode Despersion)

Do năng lợng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode Độ tán sắc củamode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ gtrong biểu thức hàm chiết suất Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode

Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đa ra công thức đã tính toán về tán sắcmode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đi vào sợiquang, tia thứ nhất đi đoạn đờng dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đờng ngắn hơn, tacó:

truyền tia thứ nhất

t2: Thời gian truyền tia thứ hai

Thời gian chênh lệch giữa hai đờng truyền t là:

n L

L

t  1 



b.Độ tán sắc thể :

* Tán sắc chất liệu: Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bớc sóng nên vận

tốc truyền sóng của ánh sáng có bớc sóng khác nhau cũng khác nhau Đó lànguyên nhân gây tán sắc chất liệu

2 2

mat

d

) ( n d C M d









 Trong đó n() là chiết suất lõi

ở bớc sóng 850nm độ tán sắc chất liệu khoảng (90120) ps/nm.Km, ở

b-ớc sóng 1300nm độ tán sắc chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhng ngợc dấulên tán sắc sắc thể bằng không Còn ở bớc sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng

mod 1

Trong đó Dchr: Độ tán sắc thể

Dwg: Độ tán sắc ống dẫn sóng

3.2.3.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt.

a.Sợi dịch tán sắc.

Vì độ suy hao ở mức sóng 1550 nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ở

b-ớc sóng 1300 nm nên ở tuyến cáp quang đờng dài hay sử dụng bb-ớc sóng này,

nh-ng độ tán sắc ở bớc sónh-ng 1550 nm lại lớn Để giải toả trở nh-ngại này nh-ngời ta làmtheo hai cách:

- Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu

3.3 Dải thông của sợi quang

Sợi quang đợc xem nh hàm truyền đạt

) fm ( P

) fm ( P )

P1(fm) và P2(fm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang với tần số

Đờng biểu diễn của hàm truyền đạt nh hình 2-10

Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ đợc gọi là dảithông B của sợi quang

2

1 )

o

(

H

) B fm

Hình 2 – 5: 10: Hàm truyền đạt của sợi quang

Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và đợc tínhtheo công thức:

).

GHZ ( D

B

Thừa số y có giá trị từ 0,5 đến 1 phụ thuộc vào chiều dài của sợi thờng

y = 0,60,8

a Truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi là: tất cả kờnh quang cựngtrờn một sợi quang truyền dẫn theo cựng một chiều (như hỡnh 2.4), ở đầu phỏt

1

1

0,5

thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên mộtsợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó

sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóngkhác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lạitruyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

b Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, cáckênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, , λn qua bộ ghép/tách kênhđược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng

về các bước sóng λn+1, λn+2, , λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình2.5) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (songcông)

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

quang

Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang