Đồ Án Tốt Nghiệp - Nghiên Cứu Hệ Thống Thông Tin Quang

Đây là tài liệu làm bởi mình và các bạn trong nhóm trong quá trình mình học Đại Học,được biên soạn làm sẵn trên PowerPoint và Word rất thuận tiện cho việc trình chiếu khi thảo luận.Mong nó sẽ giúp ích cho các bạn đỡ tốn nhiều thời gian mắc công phải tìm kiếm tài liệu rồi mất nhiều thời gian biên soạn.Chúc các bạn thành công

ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

GV HƯỚNG DẪN:

Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh

chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng Sợi quang được tráng một lớp

lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu

Lõi (core):Trung tâm

phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi.

Lớp bọc (cladding):Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh

sáng trở lại vào lõi.

Lớp bảo vệ (coating):

thường được làm bằng nhựa PVC

Lớp chịu lực (strength

members): được làm bằng sợi gia cường “aramid yarn” (Kevlar)

Lớp ống đệm bảo vệ (buffer) : gồm ống đệm chặt (tight buffer) và ống đệm không chặt (loose buffer).

Lớp vỏ ngoài bảo vệ

(jacket): là lớp bảo vệ ngoài cùng.

2 -Phân Loại Sợi Quang

Đơn Mode • Sợi đơn mode (SM).

Đa Mode

• Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (MM- SI),

• Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM- GI)

Hình 2.8 cấu trúc sợi SM

a Sợi đơn mode(SM)

Sợi đơn mode có lõi rất nhỏ thường khoảng từ : 8 - 10 µm

Lớp vỏ: 125 µm

Lớp vỏ ngoài: 250-1000 µm

Ưu điếm của sợi đon mode là chỉ ghép một mode nên không có tán sắc mode băngtần của sợi tăng lên Tuy nhiên, khó ghép ánh sáng vào sợi

Cáp quang Singlemode truyền được dữ liệu với khoảng cách không giới rất xa,

được các đơn vị viễn thông sử dụng để truyền dữ liệu trong hệ thống của họ Hiện

nay các dịch vụ viễn thông hiện nay được rất đông đảo người dân sử dụng nên cácnhà cung cấp dịch vụ liên tục phải mở rộng hệ thống truyền dẫn quang của họ để

có thể đáp ứng nhu cầu của khách hàng, do vậy đã làm cho cáp quang Singlemode

trở nên rất phổ dụng, hạ thành hạ đi rất nhiều

b Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc(MM-SI)

Lớp vỏ ngoài 250-1000 µm Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding Các

tia theo đường cong thay vì zig-zag Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méodạng

truyền tín hiệu điện)

nên nhanh,

không bị nhiễu và bị nghe trộm.

Độ suy dần thấp hơn các loại cáp đồng nên có thể tải các tín hiệu đi

xa hàng ngàn km.

Cài đặt đòi hỏi phải có

so với các loại cáp đồng

4 -Ứng Dụng

Ứng Dụng

Đa mode: Được sử

dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm:

Đa mode: Được sử

dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm:

Step index(MM-SI): dùng

cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn

soi trong

Step index(MM-SI): dùng

cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn

trăm km mà không cần khuếch đại

trăm km mà không cần khuếch đại

Hiện nay có các loại cáp thường được dùng:

Cáp quang đơn mốt loại cáp treo 4, 8, 12, 24 sợi …

Cáp quang đơn mốt loại cáp chôn 4, 8, 12, 24 sợi …

Cùng với các ngành Bưu chính - Viễn thông, Quân đội, Công an, ngành Điện đã và

đang ứng dụng kỹ thuật thông tin quang để phục vụ Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đấtnước

Quang hóa mạng truyền dẫn là một trong những mục tiêu mang tính chiến lược nhằmphát triển mạng viễn thông quốc gia nói chung và mạng viễn thông ngành Điện lực nóiriêng Hợp tác, phối hợp với các đối tác như VNPT, Viettel, công an

VÍ DỤ:

Dịch vụ Cáp quang FTTH VNPT

FTTH (Fiber-To-The-Home) là mạng viễn thông băng thông rộng bằng cáp quang

được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại, Internet tốc độ

cao và TV Bằng cách triển khai cáp quang đến tận nhà khách hàng, tốc độ mạng sẽ nhờ

vậy mà tăng lên gấp bội phần, từ 1Gbit/s trên cả hai kênh lên và xuống Về mặt kỹ

thuật

So sánh tính ưu nhược của cáp quang với cáp đồng

Tốc độ cam kết ra Quốc tế 128Kbps >= 768Kbps

Bảo mật

Thấp, do là cáp đồng tín hiệu điện nên có thể bị đánh cắp

tín hiệu trên đường dây Mặt khác có thể truyền dẫn sét, dễ

ảnh hưởng đến máy chủ và

hệ thống dữ liệu.

Cao Cáp được chế tạo là lõi

thuỷ tinh, tín hiệu truyền là

ánh sang nên hầu như không

thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây Không dẫn sét

nên có thể đảm bảo an toàn cho dữ liệu cao.

Chiều dài cáp

Tối đa 2,5 Km để đạt sự ổn định cần thiết

Có thể lên tới 10Km Mà không cần khôi phục và kĐ tín hiệu.

Độ ổn định

Bị ảnh hưởng nhiều của môi trường, điện từ…suy giảm

theo thời gian.Tín hiệu suy

giảm trong quá trình truyền dẫn nên chỉ đạt được 80% tốc

độ cam kết.

Cao( không bị ảnh hưởng của

thời tiết, điện từ, xung điện,

sét ) Không bị suy hao tín

hiệu trong quá trình truyền dấn nên có thể đạt đến tốc độ tối đa.

Khả năng ứng dụng các

dịch vụ đòi hỏi download và

upload đều cao như:

Hosting server riêng, VPN,

Video Conferrence…

Không phù hợp vì tốc độ thấp

và chiều upload không thể vượt quá 01 Mbps Modem không hỗ trợ Wireless.

1 • Mỏng hơn - Cáp quang được thiết kế có đường kính nhỏ hơn cáp đồng.

2

• Dung lượng tải cao hơn - Bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng Điều này cho phép nhiều

kênh đi qua cáp của bạn.

• Dung lượng tải cao hơn - Bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng Điều này cho phép nhiều

kênh đi qua cáp của bạn.

3 • Suy giảm tín hiệu ít - Tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng.

4

• Tín hiệu ánh sáng - Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn

• Tín hiệu ánh sáng - Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn

• Sử dụng điện nguồn ít hơn - Bởi vì tín hiệu trong cáp quang giảm ít, máy phát có thể

sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp

đồng.

• Sử dụng điện nguồn ít hơn - Bởi vì tín hiệu trong cáp quang giảm ít, máy phát có thể

sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp

đồng.

5 - Ưu Điểm Cáp quang

Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn

càng thẳng càng tốt

Chi phí - Chi phí hàn nối và thiết bị

đầu cuối cao hơn so với cáp đồng

6 -Nhược Điểm

Chương II

Phân loại,cấu tạo,nguyên lý hoạt động,ứng

dụng của Led và Laser

I Nguồn phát quang

Bộ phát quang có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang Ánh

sáng phát ra từ các nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi Có hai loạilinh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là:

• Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode)

• LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiasion)

Để xây dựng thành công các hệ thống thông tin quang Các nguồn phát quangcần

có các tính chất vật lý sau:

• Phù hợp với kích thước các sợi quang

• Phóng đủ công suất quang vào sợi để khắc phục suy hao cho phép tín hiệucó thể

được phát hiện ở đầu thu

• Phát ra ánh sáng ở các bước sóng làm tối thiểu hóa suy hao và tán xạ Cácnguồn

quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu tán xạ

• Duy trì sự vận hành ổn định trong những điều kiện môi trường thay đổi

• Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang ngõ ra

LED (Light Emitted Diode) là một loại nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thốnthông tin quang có tốc độ bít không quá 200Mb/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode.Tuy nhiên hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta có thê sử dụng cả ở tôc độ bíttới 556 Mb/s do có sự cải tiến công nghệ cao

Hình 2.1 LED phát xạ mặt

LED phát xạ mặt có mặt phẳng của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trụccủa sợi dẫn quang (hình 2.1) Vùng tích cực thường có dạng phiến tròn, đườngkính khoảng 50µm và độ dày khoảng 25µm Mầu phát chủ yếu là đẳng hướng với

độ rộng chùm phát khoảng 120° Mầu phát đẳng hướng này gọi là mầu

Lambertian Khi quan sát từ bất kỳ hướng nào thì độ rộng nguồn phát cũng ngangbằng nhau nhưng công suất lại giảm theo hàm cosβ với β là góc họp giữa hướngquan sát với pháp tuyến của bề mặt Công suất giảm 50% so với đỉnh khi β=60

1.2 Cấu trúc LED phát xạ cạnh

LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là nguồnphát ánh sáng không kết hợp, và hai lóp dẫn đều có chiết suất thấp hon chỉ số chiếtsuất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu bao quanh

(hình 2.2) cấu trúc này hình thành một kênh dẫn sóng để hướng sự phát xạ về phía

lõi sợi Đe tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường kính nhỏ ( cỡ

50-100µm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50µm đến 70µm

Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100µm đến 150µm Mầu phát xạ cạnh cóđịnh hướng tốt hon so với LED phát xạ mặt

Hình 2.2 Cấu trúc LED phát xạ cạnh

Hình 2.3 Cấu trúc dị thể kép - hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch

a) Độ rộng vùng cấmb) Chênh lệch chiết suất

1.4 Ứng dụng của LED

Thường thì ánh sáng phát xạ của LED là ánh sáng không kết hợp và là ánh sáng tựphát Do đó công suất phát xạ của LED thấp, độ rộng phố rộng và hiệu ứng lưọng tửthấp Nó thường chỉ được áp dụng cho các mạng có khoảng cách ngằn như mạngLAN Tuy nhiên đo công suất đầu ra của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và có chế tạođơn giản, độ ổn định cao, LED vần được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyềntốc độ thấp

1.5 Phân loại LED

1.5.1 LED tiếp xúc mặt GaAs

Hình 2.4 LED tiếp xúc mặt GaAs

• Dùng bán dẫn GaAs với nồng độ khác nhau để làm lớp nền loại N và lớp phát quang

loại P

• Lớp P dầy khoảng 200µm, ở mặt ngoài của lớp P có phủ một lớp chống phản xạ để

ghép ánh sáng vào sợi quang

• Bước sóng phát của LED GaAs trong khoảng từ 880-950 nm

1.5.2 LED Burrus

Hình 2.5 LED Burrus

• LED Burrus được chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp bao gồm các lớp bán dẫn loại N và

P với bề dày và nồng độ khác nhau

• Với cấu trúc nhiều lớp và vạch tiếp úc P có kích thước nhỏ, Vùng phát sáng của

LED Burrus tương đố hẹp

• Ngoài ra trên bề mặt của LED có khoét một lỗ để đưa sợi quang vào gần vùng phátsáng

• Bước sóng của LEd Burrus dùng bán dẫn AlGaAs/ GaAs trong khoảng từ

800-850nm Nếu dùng bán dẫn InGaAsP/InP thì bước sings phát ra dài hơn

2 LASER

Nguồn quang Laser (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) là một

trong những phát minh khoa học quan trọng trong thế kỉ XX Là một trong nhữngthành phần không thể thiếu được trong hệ thống thông tin quang Nguồn quang

Laser có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng vàphát tín hiệu này vào trong sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin

2.1 Cấu tạo của Laser

Laser bao gồm 3 bộ phận chính là lớp tích cực, hốc cộng hưởng và nguồn bơm

+ Lớp tích cực:

Là một môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại ánh sáng khi đi qua nó, ngàynay có rất nhiều chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn đã được dùng làm lớp tích cực củaLaser, tùy theo hoạt chất tương ứng mà ta có từng loại Laser khác nhau

+ Hốc cộng hưởng:

Hốc cộng hưởng là một phần không thể thiếu ở bất kì nguồn Laser nào, nó baogồm một cặp phiến phẳng đặt song song nhau và được mài nhẵn tạo thành gươngphản xạ Một gương có hệ số phản xạ rát lớn cõ 99,9% và chiếc gương còn lại có hệ

số phản xạ thấp hơn và làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng và cho một phần ánh sángtruyền qua nó, giữa hai gương là lớp tích cực

+ Nguồn bơm :

Là một bộ phận để cung cấp năng lượng để tạo ra sự nghịch đảo nồng độ tích lũytrong hai mức năng lượng nào đó của lớp tích cực và duy trì sự hoạt động của Laser

2.2 Nguyên Lý hoạt động của Laser

Laser khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ kích thích

Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là : Hiện tượng bức xạ kích

thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser

+ Hiện tượng bức xạ kích thích được miêu tả như sau:

Hình 2 Nguyên lý bức xạ kích thíchE1 : năng lượng trạng thái nền (đất)E2 : năng lượng trạng thái kích thích

Hiện tượng bức xạ kích thích xảy ra khi một nguyên tử đnag ở mức năng lượngtrạng thái kích thích bị một photon có năng lượng hf = E2 - E1 và đập vào và làmcho điện tử này dịch chuyển từ năng lượng kích thích E2 xuống trạng thái nănglượng nền E1 và phát ra một photon có năng lượng đúng bằng với năng lượng củaphoton ban đầu Như vậy từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng bức xạ

kích

photon này sẽ tiếp tục va chạm với các nguyên tử khác ở trạng thái kích thích và

sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm Các photon được sinh ra có cùngpha cùng tần số, cùng hướng truyền và cùng phân cực do đó ánh sáng tạo ra có tính

kết hợp

+ Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser

Trong hốc cộng hưởng của sóng ánh sáng được khuếch đại lên, quá trình này chỉ có

nhứng sóng ánh sáng có tần số thỏa mãn điều kiện về pha thì mới được khuếch đại

lên và lan truyền đi

Chương III Phân tích linh kiện quang cụ thể,tính ứng dụng của

nó (Linh kiện thu quang APD 1150)

3 So sánh linh kiện thu quang PIN và APD

a Độ Nhạy:

Độ nhạy là mức công suất quang nhỏ nhất yêu cầu ở đầu thu để đạt được mức chất lượng

cho trước Theo nguyên lý hoạt động của PIN và APD thì

APD nhạy hơn PIN Độ nhạy của APD lớn hơn PIN từ 5 đến 15 dB.

Tuy nhiên nếu dùng PIN-FET thì độ nhạy của PIN-FET và APD là xấp xỉ nhau.

Bảng

dưới đây trình bày độ nhạy của một số linh kiện ở các bước sóng hoạt động:

b.Hiệu Suất Lượng Tử

Theo định nghĩa hiệu suất lượng tử thì đại lượng này thường có giá trị nhỏ hơn 1 Tuy nhiên,

trong APD có cơ chế thác lũ, vì vậy hiệu suất lượng tử của APD được nhân lên M lần.

c.Đáp Ứng

Vì có cơ chế thác lũ trong APD nên đáp ứng R của APD rất cao, và cao hơn đáp

ứng của

PIN hàng trăm lần.

d.Dải Động

Dải đông của APD rộng hơn PIN Cụ thể: đoạn tuyến tính của APD có mức công suất quang thay đổi từ vài phần nW đến vài μW (tức dải động thay đổi với hệ số >1000), còn PIN có

4.Phân tích datasheet linh kiện thu quang APD

1150 – Vật liệu InGaAs

a FEATURES ( Đặc điểm nổi bật)”

- Data Rate up to 2.7 Gbps ( tốc độ dữ liệu lên đến

C.Điện áp và đặc điểm đặc trưng:

C.Ứng dụng:

Được sử dụng trong các đầu nối thu quang của mạng LAN cáp quang Internet và trong các đầu đĩa…