LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Click to edit Master title style

THUY T TRÌNH QUANG ĐI N T Ế Ệ Ử

KH O SÁT Ả

LINH KI N C A H TH NG THÔNG TIN QUANG Ệ Ủ Ệ Ố GVHD:Th y giáo Hoàng Phú An ầ

H th ng truy n d n quang ệ ố ề ẫ

 S đ kh i c a các h th ng thông tin ơ ồ ố ủ ệ ố

H th ng truy n d n quang ệ ố ề ẫ

1 Nhi m v và ch c năng c b n c a các kh i ệ ụ ứ ơ ả ủ ố

 Ngu n tín hi u: là các d ng thông tin thông th ồ ệ ạ ườ ng nh ti ng nói, ư ế

hình nh, s li u, văn b n ả ố ệ ả

 M ch đi n t : có nhi m v x lý ngu n thông tin đ t o ra các tín ạ ệ ử ệ ụ ử ồ ể ạ

hi u đi n d ệ ệ ướ ạ i d ng analog ho c digital ặ

 Kh i E/O: là m ch bi n đ i đi n - quang có nhi m v đi u bi n tín ố ạ ế ổ ệ ệ ụ ề ế

hi u đi n thành c ệ ệ ườ ng đ b c x ánh sáng đ phát đi (bi n đ i tín ộ ứ ạ ể ế ổ

l i thành tín hi u đi n nh tín hi u đi n đã phát đi ạ ệ ệ ư ệ ệ

 T i tin : Trong h th ng đi n thì t i tin là các sóng đi n t cao t n, ả ệ ố ệ ả ệ ừ ầ

trong h th ng quang t i tin là ánh sáng và cũng là sóng đi n t ệ ố ả ệ ừ

song có t n s r t cao ( 1014 ÷ 1015 Hz) do v y t i tin quang r t ầ ố ấ ậ ả ấ

thu n l i cho t i các tín hi u băng r ng ậ ợ ả ệ ộ

Tr m l p quang đi n ạ ặ ệ

(optoelectronic repeater)

repeater)

Tr m l p quang đi n ạ ặ ệ

(optoelectronic repeater)

 Trong quá trình truy n thông tin suy hao c a s i quang là ề ủ ợnguyên nhân gi i h n c ly truy n c a các h th ng ớ ạ ự ề ủ ệ ố

thông tin quang Đ i v i các h th ng truy n d n quang ố ớ ệ ố ề ẫ

c ly dài, gi i h n v suy hao đự ớ ạ ề ược kh c ph c b ng cách ắ ụ ằ

s d ng các tr m l p quang đi n (optoelectronic ử ụ ạ ặ ệ

repeater)

 Quá trình khu ch đ i tín hi u quang đế ạ ệ ược th c hi n qua ự ệnhi u bề ước Đ u tiên, tín hi u quang s đầ ệ ẽ ược bi n đ i ế ổthành dòng đi n b i các b thu quang (optical receiver) ệ ở ộ

s d ng linh ki n tách sóng quang nh PIN hay APDử ụ ệ ư

 Dòng quang đi n thu đệ ượ ẽ ược s đ c tái t o l i d ng xung, ạ ạ ạ

đ nh th i và khu ch đ i b i các m ch ph c h i tín hi u ị ờ ế ạ ở ạ ụ ồ ệ

và m ch khu ch đ i ạ ế ạ

 Sau đó, tín hi u đi n s đệ ệ ẽ ược bi n đ i thành tín hi u ế ổ ệ

(optical transmitter) và được truy n đi trong s i quang ề ợ

+ S i quang ch t o t thu tinh th ch anh không b nh ợ ế ạ ừ ỷ ạ ị ả

hưởng c a nủ ước, axit, ki m nên không b ăn mòn Đ ng ề ị ồ

th i, s i là ch t đi n môi nên cách đi n hoàn toàn, tín hi u ờ ợ ấ ệ ệ ệtruy n trong s i quang không b nh hề ợ ị ả ưởng c a nhi u bên ủ ễngoài t i và cũng không gây nhi u ra môi trớ ễ ường xung

quanh

+ Đ m b o bí m t thông tin, không s b nghe tr m.ả ả ậ ợ ị ộ

+ Kh năng truy n đả ề ượ ấc r t nhi u kênh trong m t s i ề ộ ợ

quang có đường kính r t nh Tiêu hao nh và không ph ấ ỏ ỏ ụthu c t n s nên cho phép truy n d n băng r ng và t c đ ộ ầ ố ề ẫ ộ ố ộtruy n l n h n nhi u so v i s i kim lo i.ề ớ ơ ề ớ ợ ạ

+ Giá thành r t r ấ ẻ

Khái ni m v k thu t ghép kênh phân ệ ề ỹ ậ chia theo b ướ c sóng -WDM

 Khái ni m v k thu t thông tin quang WDM ệ ề ỹ ậ

B l c quang liên quan đ n k thu t ghép kênh phân chia ộ ọ ế ỹ ậtheo bước sóng -WDM Vì m i m t ngu n sáng đ n s c có ỗ ộ ồ ơ ắ

đ r ng ph h p, nên trong truy n d n nó ch s d ng ộ ộ ổ ẹ ề ẫ ỉ ử ụ

m t ph n r t nh băng truy n d n c a m t s i quang ộ ầ ấ ỏ ề ẫ ủ ộ ợ

Ghép kênh phân chia theo bước sóng s t o ra r t nhi u ẽ ạ ấ ềkênh ph s d ng đ ng th i.ổ ử ụ ồ ờ

 M t cách lý tộ ưởng, s tăng đ t bi n dung lự ộ ế ượng thông tin c a m t s i quang có th đ t đủ ộ ợ ể ạ ược b ng vi c truy n ằ ệ ề

d n đ ng th i các tín hi u quang trên cùng m t s i ẫ ồ ờ ệ ộ ợ

quang t nhi u ngu n ánh sáng khác nhau có các bừ ề ồ ước sóng đ nh b c x đ t cách nhau m t cách chính xác B i ỉ ứ ạ ặ ộ ở

m i ngu n sáng ho t đ ng t i m t bỗ ồ ạ ộ ạ ộ ước sóng đ nh khác ỉnhau, tính toàn v n c a các tin t c đ c l p t m i ngu n ẹ ủ ứ ộ ậ ừ ỗ ồ

được duy trì đ vi c chuy n đ i tu n t sang tín hi u ể ệ ể ổ ầ ự ệ

đi n đ u thu Đây là c s c a ghép kênh phân chia ệ ở ầ ơ ở ủ

theo bước sóng (WDM)

Khái ni m v k thu t ghép kênh phân ệ ề ỹ ậ chia theo b ướ c sóng -WDM

Hình 6.3 M t ngu n quang đ n s d ng m t ph n r t nh băng truy n d n c a ộ ồ ơ ử ụ ộ ầ ấ ỏ ề ẫ ủ

ph có s n c a s i quang ghép kênh phân chia theo b ổ ẵ ủ ợ ướ c sóng (WDM) t o ra r t ạ ấ nhi u kênh ph s d ng đ ng th i ề ổ ử ụ ồ ờ

Khái ni m v k thu t ghép kênh phân chia theo ệ ề ỹ ậ

b ướ c sóng -WDM

Hình 6.4 H th ng WDM đ n h ệ ố ơ ướ ng k t h p N tín hi u đ c l p đ truy n trên 1 s i ế ợ ệ ộ ậ ể ề ợ

quang đ n ơ

 Trong hình trên, linh ki n WDM đ n h ệ ơ ướ ng đ ượ ử ụ c s d ng đ k t ể ế

h p các b ợ ướ c sóng mang tín hi u khác nhau trên m t s i quang đ n ệ ộ ợ ơ

t i m t đ u và đ tách chúng vào b tách quang thích h p t i đ u ạ ộ ầ ể ộ ợ ạ ầ kia.

Khái ni m v k thu t ghép kênh phân chia theo ệ ề ỹ ậ

Khái ni m v k thu t ghép kênh phân chia theo b ệ ề ỹ ậ ướ c sóng -WDM

B l c quang b ng các linh ki n tán s c (hay b ghép kênh ộ ọ ằ ệ ắ ộ tán s c c nh) ắ ạ

Hình 6.6 S đ bi u di n m t ph n t WDM tán s c c nh cho 3 b ơ ồ ể ễ ộ ầ ử ắ ạ ướ c sóng Nhi u b ề ướ c sóng có th ể

k t h p ho c phân chia v i lo i linh ki n này ế ợ ặ ớ ạ ệ

 Khi linh ki n s d ng nh m t b ph n kênh, ánh sáng t s i quang đi ra đ ệ ử ụ ư ộ ộ ậ ừ ợ ượ c chu n tr c b ng th u kính L1 (g i là th u kính chu n tr c) và đi qua ph n t tán ẩ ự ằ ấ ọ ấ ẩ ự ầ ử

s c c nh và nó đ ắ ạ ượ c phân chia thành các kênh có b ướ c sóng đi vào các chùm tia có

đ nh h ị ướ ng không gian khác nhau Th u kính L2 (th u kính h i t ) s h i t các ấ ấ ộ ụ ẽ ộ ụ tia đ u ra vào các s i quang thu thích h p ho c các b tách quang thích h p ầ ợ ợ ặ ộ ợ

B l c quang màng m ng ộ ọ ỏ

Hình 6.7 B l c màng m ng nhi u l p ph n x s d ng cho WDM ộ ọ ỏ ề ớ ả ạ ử ụ

Linh ki n này trong su t t i b ệ ố ạ ướ c sóng λ2 và ph n x t i b ả ạ ạ ướ c sóng λ1.

B l c ph n x g m m t t m kính ph ng, bên trên nó nhi u l p màng ộ ọ ả ạ ồ ộ ấ ẳ ề ớ

m ng ch t cách đi n khác nhau đ ỏ ấ ệ ượ ắ c l ng đ ng tuỳ theo tính ch n l c c a ọ ọ ọ ủ

b ướ c sóng Các b l c này có th s d ng n i ti p thành chu i đ phân chia ộ ọ ể ử ụ ố ế ỗ ể thêm các kênh b ướ c sóng S ph c t p cũng tăng theo s l ự ứ ạ ố ượ ng các b l c n i ộ ọ ố

ti p và s tăng t n hao tín hi u cũng x y ra v i vi c tăng thêm các b ghép ế ự ổ ệ ả ớ ệ ộ kênh n i ti p Nhìn chung ch nên h n ch ho t đ ng đ n 2 ho c 3 b l c (có ố ế ỉ ạ ế ạ ộ ế ặ ộ ọ nghĩa là ho t đ ng 3 ho c 4 kênh) ạ ộ ặ

B l c quang màng m ng ộ ọ ỏ

B l c có th đi u ch nh b ộ ọ ể ề ỉ ướ c sóng

(a wavelengthtunable-filter)

Hình 6.8 Ví d v b l c đi u ch nh b ụ ề ộ ọ ề ỉ ướ c sóng M t t m th ch anh ộ ấ ạ

di đ ng thay đ i đ dài tuy n đ ộ ổ ộ ế ườ ng đi qua tinh th đ thay đ i ph ra ể ể ổ ổ hình sin.

B l c quang màng m ng ộ ọ ỏ

 Trong ph ươ ng pháp này, các tín hi u tin t c khác nhau đ ệ ứ ượ c

g i vào các kênh t n s riêng c a đ r ng băng B B ng vi c s ử ầ ố ủ ộ ộ ằ ệ ử

d ng m t b l c v i d i thông có đ r ng B mà nó có th đi u ụ ộ ộ ọ ớ ả ộ ộ ể ề

ch nh trên kho ng t n s c a các kênh này, ng ỉ ả ầ ố ủ ườ i ta có th ể

ch n đ ọ ượ c kênh theo yêu c u ầ

 Ở đây, m t ph n t đa c p l ộ ầ ử ấ ưỡ ng chi t su t c u t o t hai ng ế ấ ấ ạ ừ ố

d n sóng b ng th ch anh (a birefringent multiple - order ẫ ằ ạ

element) đ ượ c đ t gi a hai b tách tia phân c c (polarizing ặ ữ ộ ự

beam splitters)

 S bi n đ i hình sin c a ph ra có th đ ự ế ổ ủ ổ ể ượ c thay đ i b ng ổ ằ

cách thay đ i đ dài đ ổ ộ ườ ng truy n L đi qua tinh th Đi u này ề ể ề

đ t đ ạ ượ c b ng cách di chuy n m t trong các t m th ch anh ằ ể ộ ấ ạ lên trên ho c xu ng d ặ ố ướ i S thay đ i chi u dài theo c p b c ự ổ ề ấ ậ chu kỳ quay phân c c s xác đ nh v trí c a kênh.Vì tuy n ự ẽ ị ị ủ ế

quang là thu n ngh ch, linh ki n này có th đ ậ ị ệ ể ượ ử ụ c s d ng nh ư

là b ghép kênh và ho c nh là b phân kênh đ u đ ộ ặ ư ộ ề ượ c.

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

a) Ð nh nghĩa ị

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision

Multiplexing) là công ngh “trong m t s i quang đ ng ệ ộ ợ ồ

th i truy n d n nhi u bờ ề ẫ ề ước sóng tín hi u quang” ệ Ở

đ u phát, nhi u tín hi u quang có bầ ề ệ ước sóng khác

nhau đượ ổ ợ ạc t h p l i (ghép kênh) đ truy n đi trên ể ề

m t s i quang đ u thu, tín hi u t h p đó độ ợ Ở ầ ệ ổ ợ ược

phân gi i ra (tách kênh), khôi ph c l i tín hi u g c r i ả ụ ạ ệ ố ồ

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

Ghép/tách tín hi u ệ

Hình 6.10 S đ ch c năng h th ng WDM ơ ồ ứ ệ ố

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

 Ghép tín hi u WDM ệ là s k t h p m t s ngu n ự ế ợ ộ ố ồ

sáng khác nhau thành m t lu ng tín hi u ánh sáng ộ ồ ệ

t ng h p đ truy n d n qua s i quang Tách tín hi u ổ ợ ể ề ẫ ợ ệWDM là s phân chia lu ng ánh sáng t ng h p đó ự ồ ổ ợthành các tín hi u ánh sáng riêng r t i m i c ng ệ ẽ ạ ỗ ổ

s nh : kho ng cách gi a các kênh, đ r ng băng ố ư ả ữ ộ ộ

t n c a các kênh bầ ủ ước sóng, bước sóng trung tâm

c a kênh, m c xuyên âm gi a các kênh, tính đ ng ủ ứ ữ ồ

đ u c a kênh, suy hao xen, suy hao ph n x , xuyên ề ủ ả ạ

âm đ u g n đ u xa ầ ầ ầ

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

Truy n d n tín hi u ề ẫ ệ

 Quá trình truy n d n tín hi u trong s i quang ch u s ề ẫ ệ ợ ị ự

nh h ng c a nhi u y u t : suy hao s i quang, tán

s c, các hi u ng phi tuy n, v n đ liên quan đ n ắ ệ ứ ế ấ ề ế

khu ch đ i tín hi u M i v n đ k trên đ u ph ế ạ ệ ỗ ấ ề ể ề ụthu c r t nhi u vào y u t s i quang (lo i s i quang, ộ ấ ề ế ố ợ ạ ợ

ch t lấ ượng s i ) ợ

 Khu ch đ i tín hi u ế ạ ệ

 Có ba ch đ khu ch đ i: khu ch đ i công su t, ế ộ ế ạ ế ạ ấ

khu ch đ i đế ạ ường và ti n khu ch đ i ề ế ạ

 Thu tín hi u ệ

 Thu tín hi u trong các h th ng WDM cũng s d ng ệ ệ ố ử ụ

các b tách sóng quang nh trong h th ng thông tin ộ ư ệ ốquang thông thường: PIN, APD

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

Phân lo i h th ng WDM ạ ệ ố

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

truy n thông tin gi a hai đi m c n hai s i quang H ề ữ ể ầ ợ ệ

th ng WDM song hố ướng, ngượ ạc l i, truy n hai chi u ề ềtrên m t s i quang nên ch c n 1 s i quang đ có th ộ ợ ỉ ầ ợ ể ểtrao đ i thông tin gi a 2 đi m.ổ ữ ể

 Xét v dung lề ượng, h th ng đ n hệ ố ơ ướng có kh năng ả

cung c p dung lấ ượng cao g p đôi so v i h th ng song ấ ớ ệ ố

hướng Ngượ ạc l i, s s i quang c n dùng g p đôi so ố ợ ầ ấ

Nguyên lý ghép kênh theo b ướ c sóng quang (WDM)

Các linh ki n trong ki n trong h th ng WDM ệ ệ ệ ố

 Các linh ki n đệ ượ ử ục s d ng trong các m ng quang ạ

hi n đ i bao g m ệ ạ ồ

 các b ghép/tách (couplers)ộ

 b phát laser (lasers)ộ

 b tách quang (photodetectors)ộ

 b khu ch đ i quang (optical amplifiers)ộ ế ạ

 b chuy n m ch quang (optical switches)ộ ể ạ

 b l c (filters) ộ ọ

 b ghép/tách kênh (multiplexers) ộ

B ghép/tách tín hi u (Coupler) ộ ệ

Đ nh nghĩa ị

B ghép/tách tín hi u (Coupler) là thi t b quang dùng đ k t h p ộ ệ ế ị ể ế ợ các tín hi u truy n đ n t các s i quang khác nhau N u coupler ch ệ ề ế ừ ợ ế ỉ cho phép ánh sáng truy n qua nó theo m t chi u, ta g i là coupler có ề ộ ề ọ

h ướ ng (directional coupler) N u nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chi u, ế ề

ta g i là coupler song h ọ ướ ng (bidirectional coupler).

Hình 6.13 C u t o coupler FBT 2 x 2 Hình 6.14 Coupler hình sao v i 8 ngõ vào và 8 ngõ ấ ạ ớ

ra

B ghép/tách tín hi u (Coupler) ộ ệ

 Nguyên lý ho t đ ng ạ ộ

Khi hai s i quang đ ợ ượ c đ t c nh nhau, ánh sáng s đ ặ ạ ẽ ượ c ghép t ừ

s i này sang s i kia và ng ợ ợ ượ ạ c l i Ðó là do quá trình truy n m t ánh ề ố sáng trên s i quang qua vùng ghép s khác so v i truy n trên s i ợ ẽ ớ ề ợ

quang đ n Khi đó, toàn b ánh sáng thu c m t s i quang s đ ơ ộ ộ ộ ợ ẽ ượ c ghép hoàn toàn sang s i quang ghép v i nó, ph n ánh sáng này l i ợ ớ ầ ạ

ti p t c đ ế ụ ượ c ghép ng ượ c tr l i sang s i quang ban đ u theo m t ở ạ ợ ầ ộ chu kỳ tu n hoàn khép kín K t qu ta có c ầ ế ả ườ ng đ tr ộ ườ ng đi n t ệ ừ ở

đ u ra c a b ghép ầ ủ ộ

- B coupler v i t s ghép α ≈ 1 đ ộ ớ ỉ ố ượ c dùng đ trích m t ph n nh ể ộ ầ ỏ tín hi u quang, ph c v cho m c đích giám sát ệ ụ ụ ụ

- Coupler còn là b ph n c b n đ t o nên các thành ph n quang ộ ậ ơ ả ể ạ ầ khác, ch ng h n nh : các b chuy n m ch tĩnh, các b đi u ch , b ẳ ạ ư ộ ể ạ ộ ề ế ộ giao thoa

- Th c hi n ghép/tách b ự ệ ướ c sóng trên s i quang Coupler 2 x 2 ợ

ghép 50:50 phân b công su t ánh sáng t m t đ u vào ra làm 2 ố ấ ừ ộ ầ

ph n b ng nhau 2 ngõ ra Coupler này còn đ ầ ằ ở ượ c g i là coupler 3 ọ

dB, ng d ng ph bi n nh t ứ ụ ổ ế ấ

B isolator/circulator ộ

 Isolator là thi t b không thu n ngế ị ậ ược (nonreciprocal)

Nó ch truy n ánh sáng qua nó theo m t chi u và ngăn ỉ ề ộ ềkhông cho truy n theo chi u ngề ề ượ ạc l i Nó được dùng

t i đ u ra c a các thi t b quang (b khu ch đ i, ngu n ạ ầ ủ ế ị ộ ế ạ ồphát laser) đ ngăn quá trình ph n x ngể ả ạ ược tr l i các ở ạthi t b đó, gây nhi u và h h i thi t b Hai tham s ế ị ễ ư ạ ế ị ố

chính c a Isolator là suy hao xen và đ cách ly.ủ ộ

 Circulator cũng th c hi n ch c năng tự ệ ứ ương t nh b ự ư ộ

Isolator nh ng nó thư ường có nhi u c ng, thề ổ ường là 3

ho c 4 c a Chính vì s tặ ử ự ương đ ng gi a hai lo i thi t b , ồ ữ ạ ế ị

ta s ch trình bày ho t đ ng c a b Isolator mà thôiẽ ỉ ạ ộ ủ ộ

B isolator/circulator ộ

S đ kh i c a b ơ ồ ố ủ ộ isolator/circulator

Hình 6.15

(a) S đ kh i c a b Circulator 3 c a ơ ồ ố ủ ộ ử (b) S đ kh i c a b Circulator 4 c a ơ ồ ố ủ ộ ử (c) S đ kh i c a b Isolator ơ ồ ố ủ ộ

B isolator/circulator ộ

Nguyên lý ho t đ ng ạ ộ

Ánh sáng truy n trong s i quang v i tr ng thái phân c c ề ợ ớ ạ ự

b t kì đấ ược đ a đ n b tách/ghép tr ng thái phân c c ư ế ộ ạ ự

SWP (Spatial Walk-off Polarizer), tách thành hai dòng tín

hi u phân c c d c và ngang theo hai đệ ự ọ ường đ c l p nhau ộ ậ

Ti p theo, đ n b quay pha Faraday, quay pha 45o theo ế ế ộ

chi u kim đ ng h M t ph ng λ/2 (Half-wave plate) th c ề ồ ồ ặ ẳ ự

hi n quay pha 45o theo chi u kim đ ng h đ i v i tín hi u ệ ề ồ ồ ố ớ ệtruy n t trái sang ph i, quay pha 45o theo chi u ngề ừ ả ề ược kim đ ng h theo chi u truy n ngồ ồ ề ề ượ ạc l i Cu i cùng, tín ố

hi u hai nhánh đệ ở ược k t h p l i nh b SWP th hai ế ợ ạ ờ ộ ứ

N u theo chi u ngế ề ượ ạc l i, hai b SWP s kh l n nhau ộ ẽ ử ẫ

Ánh sáng truy n qua b SWP th hai, qua b quay pha ề ộ ứ ộ

Faraday s không th k t h p l i đẽ ể ế ợ ạ ượ ạ ộc t i b SWP th ứ

nh t nh minh ho trên Hình 6.16 ấ ư ạ

B isolator/circulator ộ

ng d ng

 B Isolator và Circulator có nh ng ng d ng sau: ộ ữ ứ ụ

 B Isolator th ộ ườ ng đ ng tr ứ ướ c đ u ra b khu ch đ i ầ ộ ế ạ quang ho c ngu n phát laser đ ngăn ánh sáng ph n ặ ồ ể ả

x ng ạ ượ c tr l i thi t b gây nhi u và có th làm h ở ạ ế ị ễ ể ư thi t b ế ị

 B Circulator đ ộ ượ c dùng nh m t b ph n đ ch t o ư ộ ộ ậ ể ế ạ

ph n t xen r t quang OADM ầ ử ớ

B l c là thi t b ch cho phép m t kênh bộ ọ ế ị ỉ ộ ướ c sóng đi qua, khoá đ i ố

v i t t c các kênh b ớ ấ ả ướ c sóng khác Nguyên lý c b n nh t c a b l c ơ ả ấ ủ ộ ọ

là s giao thoa gi a các tín hi u, b ự ữ ệ ướ c sóng ho t đ ng c a b l c s ạ ộ ủ ộ ọ ẽ

đ ượ ộ c c ng pha nhi u l n khi đi qua nó, các kênh b ề ầ ướ c sóng khác,

ng ượ ạ c l i, s b tri t tiêu v pha ẽ ị ệ ề