Chương 5. Giới thiệu về hệ thống thông tin quang pdf

Suy hao sợi quang Công suất quang truyền t i trong sợi cũng gi m ải trong sợi cũng giảm ải trong sợi cũng giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ t ơng ứng nh tín hiệu điện... nguồn p

Chương 5 Giới thiệu về hệ thống

thông tin quang

• Khuếch đại quang

• Mạng truyền tải quang

giới thiệu

• Hệ thống truyền thông điện

• Hệ thống truyền thông quang

Giới thiệu

Tính chất Ánh sáng

• Ánh sáng có tính chất sóng

• Ánh sáng có tính chất hạt : ánh sáng bao gồm nhiều proton có năng lượng E = hv

• Hiện tượng: phản xạ, khúc xạ, tán xạ,…

Dải tần hệ thống quang

Dải tần thơng tin quang

 Aùnh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm

(tím) đến 780nm (đỏ)

 Aùnh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-

1600nm)  không thấy được

 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử

dụng trong thông tin quang: 850 nm, 1300 nm và

1550 nm

hệ thống thông tin quang

• Ưu điểm:

– Suy hao truyền dẫn thấp (0.2 - 0.5dB/km)

hệ thống thông tin quang

hệ thống thông tin quang

• Ưu điểm

– Dung lượng truyền dẫn lớn

– Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.

– Độ an toàn truyền dẫn cao

– Kích thước và trọng lượng nhỏ.

– Sợi quang được chế tạo từ vật liệu có sắn

hệ thống thông tin quang

Cấu tạo sợi quang

• Lớp lõi: chiết suất n1

• Lớp vỏ(bọc): chiết suất n2<n1

• lớp đệm: bằng nhựa, để bảo vệ sợi quang

cấu tạo sợi quang

• chiết suất lớp lõi có thể

đều

• chiết suất lớp lõi có thể

thay đổi từ từ

CƠ SỞ QUANG HỌC

• Chiết suất của môi trường: n = c/v

- c: vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.10 8 m/s

- v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét, v c

• Sự phản xạ và khúc xạ:

Tia tới Tia phản xạ

Tia khúc xạ

1’

CƠ SỞ QUANG HỌC

 Tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ cùng nằm trên một mặt phẳng

 Góc phản xạ bằng góc tới: 1= 1’

 Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell:

Tia khúc xạ

Tia phản xạ

Tia khúc xạ

Tia phản xạ

n 1 <n 2 n 1 >n 2

CƠ SỞ QUANG HỌC

• Sự phản xạ toàn phần:

 Trường hợp n 1 >n 2, khi góc tới 1 lớn hơn góc tới hạn  c

thì không có tia khúc xạ, tia tới phản xạ hoàn toàn về môi trường tryền

 hiện tượng phản xạ toàn phần

2 = 90 ( 1 =  c )

c

n 2

n 1

Tia tới hạn

Tia khúc xạ

Tia phản xạ

2 < 90

( 1 >  c )

(n 1 >n 2 )

( 1 <  c )

Cơ sở lan truyền ánh sáng trong

Cơ sở lan truyền ánh sáng

• Khi góc tới không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần: tại bề mặt tiếp giáp tồn tại cả tia phản

xạ và khúc xạ

Các thông số sợi quang

• Suy hao

• Tán sắc

• Đặc tính phi tuyến

Suy hao sợi quang

Công suất quang truyền t i trong sợi cũng gi m ải trong sợi cũng giảm ải trong sợi cũng giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ t ơng ứng

nh tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng:

• Trong đó: P(0): công suất ở đầu sợi (z=0)

• P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

  : hệ số suy hao

z e P

Suy hao sợi quang

• hệ số suy hao tính bởi:

• Trong đó P1, P2 tương ứng là công suất vào, ra

• Hệ số suy hao trung bình:

) (

)

( )

/

(

km L

dB

A km



Suy hao sợi quang

• Các nguyên nhân:

– Do hấp thụ: sợi quang có lõi được chế tạo từ thuỷ tinh thường pha thêm các tạp chất như Fe, Cu, Các tạp chất này là nguồn hấp thụ ánh sáng.

– Do tán xạ: nói chung khi sóng điện từ truyền qua môi trường không đồng nhất sẽ gây nên tán xạ, ánh sáng

sẽ bị toả ra các hướng và chỉ có một phần truyền theo hướng xác định

– Do uốn cong sợi

Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang

• Vïng cöa sæ 1: cã b íc sãng 850nm, møc suy hao

1 dB/km

• Vïng cöa sæ 2: øng víi b íc sãng 1310nm, cã hÖ

sè suy hao 0.5 dB/km,

• Vïng cöa sæ 3: øng víi b íc sãng 1550nm, cã hÖ

sè suy hao nhá nhÊt 0.154 dB/km

• Suy hao t¹i ba vïng cöa sæ nµy lµ thÊp nhÊt ë ViÖt Nam th êng dïng vïng cöa sæ thø ba (1550nm)

Tán sắc sợi quang

• Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu chuyển động với tốc độ khác nhau Tán sắc gây nên:

– Xung bị trải dài trên miền thời gian

– Các xung chồng chập lên nhau gây lỗi ISI

– Làm ảnh hưởng tới tốc độ và khoảng cách truyền

thông

Tán sắc sợi quang

Tán sắc sợi quang

• Nguyên nhân:

– Tán sắc mode : năng lượng ánh sáng phân tán thành nhiều mode, mỗi mode truyền với vận tốc khác nhau – Tán sắc thể: tín hiệu quang truyền không phải là đơn sắc mà là khoảng bước sóng xác định

– Tán sắc vật liệu: chiết suất vật liệu thay đổi theo bước sóng vậy nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo bước sóng.

Phân loại sợi quang

• Phân loại theo chiết suất lớp lõi:

– Sợi cĩ chiết suất nhảy bậc

– Sợi cĩ chiết suất biến đổi đều

• Phân loại theo mode lan truyền:

– Sợi đơn mode (SM): chỉ cĩ một mode truyền dẫn trên sợi

– Sợi đa mode (MM): tồn tại nhiều mode lan truyền trên sợi

• Phân loại theo vật liệu chế tạo:

bằng nhựa

Sợi quang và các mode lan

truyền

n1

n2 n(r)

a a b

r

n1

n2 n(r)a

a

b

b 0

r

r

n1

n2 n(r)a

a

b

b 0

nguồn phát quang

• Các yêu cầu với nguồn quang:

– bước sóng ánh sáng phát ra: phải có dải phù hợp – Thời gian chuyển: tốc độ chuyển của nguồn quang phải cao thì mới đạt tốc độ truyền dẫn cao.

– Độ rộng phổ: càng hẹp càng tốt

• Các nguồn quang:

– LED(Diốt phát quang)

– Laser

• Nguyên tắc phát quang: dựa vào hiện tượng bức xạ tự phát hoặc kích thích của điện tử khi chuyển

từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn.

• Được chế tạo từ vật liệu bán dẫn

• Độ rộng phổ rộng

• Chỉ phù hợp khi truyền với tốc độ chậm cự ly ngắn dùng sợi đa

mode

• Laser: Light Amplication by

Stimulate Emission of Radiation

Nguyên lý hoạt động Laser

• Là kết quả của 3 quá trình:

– hấp thụ proton

– bức xạ tự phát

– bức xạ kích thích.

Nguyên lý hoạt động Laser

• Hấp thụ: khi proton có năng lượng lớn hơn E2-E1

có thể bị hấp thụ bởi các điện tử tại mức nền và chuyển tới mức kích thích

Nguyên lý hoạt động Laser

• Bức xạ tự phát:

– Điện tử ở trạng thái kích thích có thể bị chuyển về

trạng thái nền và phát ra proton có năng lượng E1

hv=E2-Nguyên lý hoạt động Laser

• Ánh sáng phát ra bởi bức xạ tự phát là đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên

• Chúng có thể được coi như nhiễu

Nguyên lý hoạt động Laser

• bức xạ kích thích:

– nếu proton có năng lượng hv tác động vào hệ

thống trong khi điện tử đang ở trạng thái kích thích thì điện tử sẽ bị rơi xuống trạng thái nền và phát ra proton có hướng cùng với hướng của proton tới.

thiết bị thu quang

• chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thu được thành tín hiệu điện

• Là thiết bị ở cuối tuyến

truyền dẫn, nơi thu nhận

mọi tác động trên toàn

đưa tới nên hoạt động

của nó liên quan tới

hoạt động của toàn bộ

hệ thống

Yêu cầu với thiết bị thu quang

• Có tỷ số SNR lớn

• Có độ nhạy thu cao

• Hoạt động với băng tần lớn

• Thời gian đáp ứng nhanh

• Độ ổn định cao

• Giá thành rẻ

thiết bị thu quang

• Bộ tách sóng photo điot PIN

• Điôt quang kiểu thác (APD

Hệ thống quang WDM

• Thực chất, WDM là một cơ chế trong đó nhiều kênh sóng quang tại các bước sóng khác nhau được điềuchế bởi các chuỗi bit điện độc lập

được phát đi trêncùng một sợi quang sau khi đã được ghép kênhbằng kỹ thuật TDM hoặc FDM.

• Tín hiệu quang tại đầu thu được giải trong sîi còng giảm i ghép kênh thành các kênh riêng rẽ nhờ kỹ thuật quang.

• Kỹ thuật WDM khai thác băng tần rộng của sợi quang Ví dụ: hàng trăm kênh 10 Gb/s có thể

được truyền qua cùng một sợi khi khoải trong sîi còng giảm ng cách kênh giải trong sîi còng giảm m xuống dưới 100 GHz.

TĂNG DUNG LƯỢNG MẠNG

Kỹ thuật đắt

W D M

Cùng sợi và tốc độ, nhiều s

Tương thích với sợi

Sử dụng phần nhiều giải thông sợi

Dễ dàng triển khai trong thực tế Giá thành đầu tư thấp

Tận dụng được các thiết bị TDM

có sẵn

Sîi quang MUX

Hệ thống WDM

• Phát tín hiệu:

– nguồn phát: các laser có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định Hiện tại có các loại laser điều chỉnh bước sóng và laser đa bước sóng.

• Ghép tín hiệu:

– Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng

khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh quang Bộ ghép này phải trong sîi còng giảm i có suy hao suy hao nhỏ

• Truyền tín hiệu: tín hiệu sau khi được ghép sẽ

được phóng vào sợi quang và truyền dẫn tới đầu thu.

Hệ thống WDM

• Thu tín hiệu: Tại đầu thu các tín hiệu quang tổng hợp được tách ra thành từng kênh riêng rẽ nhờ bộ giải ghép WDM

Hệ thống WDM

• Phân loại:

– hệ thống WDM đơn hướng

– hệ thống WDM song hướng

Các loại ghép WDM

• Dùng cho truyền dẫn đơn hướng:

– bộ ghép (MUX) và giải ghép (DEMUX)

• Dùng cho truyền dẫn song hướng

– bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Ưu điểm WDM

• Dung lượng truyền dẫn lớn

• Loại bỏ yêu cầu khắt khe với hệ thống đơn kênh tốc độ cao

• Linh hoạt cao khi muốn tăng dung lượng hệ

thống

• Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo

• Giảm chi phí đầu tư mới

Khuếch đại quang

• Trên tuyến truyền dẫn thông tin quang các bộ khuếch đại quang dùng để bù suy hao, bù tán sắc.

• Có thể thực hiện theo 2 cách:

– Chuyển đổi tín hiệu quang thành điện, khuếch đại tín hiệu điện rồi lại chuyển thành tín hiệu quang

– Khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp (khuếch đại quang sợi)

• Hiện tại khuếch đại quang đều được thực hiện trực tiếp.

• Hiện nay hầu hết sử dụng EDFA (Erbium-Dopped Fiber Amplifier ): khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố

Ebrium.

Cấu trúc EDFA

• Một đoạn sợi quang pha tạp Er (10-50m)

• Coupler: dùng để ghép nguồn laser bơm và tín hiệu quang tới.

• Isolator: bộ cách ly , chống phản xạ tín hiệu chỉ cho phép

truyền đơn hướng

• Laser bơm: hoạt động bước sóng 980nm hoặc 1480nm

Erbium-Doped Fiber (10–50m)

Pump Laser

Pump Laser

Nguyên tác hoạt động EDFA

• Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong 3 hay 4 mức

Ph©n r·

Ph©n r·

Ph©n r·

Nguyờn tỏc hoạt động EDFA

• Khi một nguồn bơm photon b ớc sóng 980nm hoặc 1480nm đ ợc bơm vào lõi sợi đặc biệt này, các ion

Er 3+ sẽ hấp thụ các photon đó một điện tử của nó chuyển mức n ng l ợng từ mức cơ b n E ă ải trong sợi cũng giảm 1 lên mức kích thích E2; do tồn tại một mức n ng l ợng siêu bền ă

E3 ở gi a nên các điện tử này chuyển xuống mức ữa nên các điện tử này chuyển xuống mức

n ng l ợng E ă 3 theo cơ chế phân rã không bức xạ (th ải trong sợi cũng giảm không bức xạ xuống E3), sau một kho ng thời gian ải trong sợi cũng giảm 10ns, điện tử đ ợc kích thích này rơi trở lại mức E1, và phát xạ ra photon.

Nguyờn tỏc hoạt động EDFA

• Hiện t ợng bức xạ binh th ờng có thể là bức xạ tự phát (là cơ chế binh th ờng khi điện tử nh y mức n ng l ợng) ải trong sợi cũng giảm ă hoặc bức xạ sẽ x y ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích ải trong sợi cũng giảm thích; tức là do sự có mặt của các photon mang n ng l ă ợng bằng với n ng l ợng dịch chuyển mức của các điện ă

tử (trong EDFA thi đó là photon của tín hiệu đ ợc khuếch đại) sẽ kích thích sự phát xạ và tạo ra thêm nhiều photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng Nho tap Erbium, bức xạ này ở vùng b ớc sóng 1550nm Nhờ vậy, tín hiệu đ ợc khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium.

Ứng dụng EDFA trong WDM

• Làm bộ tiền khuếch đại

(PA: Pre - amplifier)

• Làm bộ khuếch đại

công suất (BA: Booster

Amplifier)

• Khuếch đại đường

truyền (LA: Line

BA