thông tin quang I

Nội dung chínhChương 1: Giới thiệu chung 8t Mô hình hệ thống Sợi quang và cáp sợi quang Cấu trúc và quá trình ánh sáng trong các loại sợi quang Cáp sợi quang Các phần tử phát và thu q

Trang 1

Häc viÖn c«ng nghÖ Bu chÝnh ViÔn Th«ng

Khoa ViÔn th«ng 1

Kü thuËt th«ng tin quang I

Dïng cho c¸c líp §H-TC chuyªn ngµnh VT

Cao Hång S¬n

Bé m«n: Th«ng tin quang E-mail: Sonch72@Yahoo.com

Trang 2

Nội dung chính

Chương 1: Giới thiệu chung (8t)

Mô hình hệ thống Sợi quang và cáp sợi quang

Cấu trúc và quá trình ánh sáng trong các loại sợi quang Cáp sợi quang

Các phần tử phát và thu quang

Phần tử phát quang: LED và LD.

Phần tử thu quang: PIN và APD

Các tham số truyền dẫn sợi quang

Suy hao Tán sắc Hiệu ứng phi tuyến

Hệ thống quang PDH và SDH

Hệ thống quang PDH: Cấu hình các phần tử và mạng.

Hệ thống quang SDH: Cấu hình các phần tử và mạng.

Trang 3

Giới thiệu tổng quan

Lịch sử phát triển:

Trong thời kì 1850 - 2000, tích BL tăng lên khi công nghệ thay đổi

Trang 4

Lịch sử phát triển:

1854: Thí nghiệm John Tyndall 1962: LD bán dẫn đầu tiên (IBM, Lincoln Lab) 1966: Sợi quang đầu tiên, suy hao: 1000dB/km (Corning Glass) 1970: Sợi quang, suy hao: 20dB/km (Corning Glass)

1970: LD hoạt động nhiệt độ phòng 1976: LD bán dẫn ở λ =1,3 à m và 1,55 à m

1977: Hệ thống quang thương mại ở cửa sổ thứ nhất (0,85 à m) 1980: Hệ thống quang thương mại ở cửa sổ thứ hai (1,3 à m)

1982: Sợi SM, suy hao 0,16 dB/km ( ≈ giới hạn lý thuyết)

1984: Hệ thống quang thương mại ở cửa sổ thứ ba (1,55 à m) 1985: Hệ thống WDM 10 kênh ì 2,5Gb/s (Bell Lab)

1986: EDFA đầu tiên 1988: Hệ thống cáp biển đầu tiên vượt Đại Tây Dương và Thái Bình Dương (565Mb/s)

1989: LD bán dẫn phổ cực hẹp

1990: Truyền dẫn soliton 2,5Gb/s không trạm lặp 13.000Km (Bell Lab)

1992: Hệ thống quang thương mại WDM+EDFA 1995: Các hệ thống quang vượt Đại Dương không trặm lặp 5Gb/s 1997: Triển khai rộng rãi các hệ thống WDM thương mại

2001: Truyền dẫn OTDM 1Tb/s qua 70Km (NTT)

Trang 5

Giíi thiÖu tæng quan

Trang 6

LÞch sö ph¸t triÓn:

C¸c thÕ hÖ ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang:

Trang 7

Mét sè hÖ thèng quang biÓn quèc tÕ:

Trang 8

Mét sè hÖ thèng quang biÓn quèc tÕ:

Trang 9

Trong giai đoạn hiện nay đang được chứng kiến sự tăng trưởng đột biến lưu lượng mạng:

Trang 10

Các khái niệm cơ bản:

Tín hiệu truyền dẫn có thể ở dạng tương tự (analog) hoặc dạng số (digital).

Trang 11

C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n:

GhÐp kªnh: TDM vµ FDM

Trang 12

M« h×nh chung m¹ng ViÔn th«ng:

Trang 13

M« h×nh chung m¹ng quang:

Trang 14

HÖ thèng th«ng tin quang:

M« h×nh tæng qu¸t hÖ thèng TTQ Gåm 2 lo¹i:

- H÷u tuyÕn (Guided)

- V« tuyÕn (Unguided)

Trang 15

C¸c hÖ thèng th«ng tin quang:

Trang 16

TiÕn tr×nh ph¸t triÓn m¹ng quang WDM:

Trang 17

HÖ thèng th«ng tin quang:

M« h×nh hÖ thèng truyÒn dÉn sîi quang

Trang 18

Trang 19

ưu điểm:

Suy hao thấp Độ rộng băng tần lớn Trọng lượng nhẹ

Không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường ngoài Không gây xuyên âm

Tính bảo mật cao Chi phí tiết kiệm

Khó khăn trong ghép nối Không sử dụng tại vùng bị chiếu xạ

Hạn chế:

Trang 20

Trong môi trường đồng nhất, ánh sáng truyền thẳng

Khi gặp bề mặt phân cách giữa hai môi trường: một phần phản xạ còn một phần khúc xạ

Trang 21

Trang 22

Vµng Cam

Trang 23

Cơ sở quang vật lý:

Hiện tượng khúc xạ tuân theo định luật Snell:

Trang 24

Cơ sở quang vật lý:

Hiện tượng phản xạ toàn phần:

Trang 25

ch

−

=

λ

Trang 26

Sợi quang & cáp sợi quang

Cấu trúc sợi quang:

Cấu trúc hình trụ, được chế tạo từ vật liệu trong suốt Lõi sợi có chiết suất n1

Vỏ sợi có chiết suất n2 < n1

Lớp phủ đệm có tác dụng bảo vệ sợi

Trang 27

Phân loại sợi quang:

Dựa theo vật liệu chế tạo: thuỷ tinh hoặc chất dẻo hoặc thuỷ tinh đa thành phần

Dựa theo mặt cắt chiết suất: chiết suất bậc (SI) hoặc chiết suất biến đổi (GI)

Dựa theo số lượng mode truyền: đa mode (MM) hoặc đơn mode (SM)

Dựa theo các chức năng đặc biệt

Trang 28

Sîi quang & c¸p sîi quang

Ph©n lo¹i sîi quang:

Trang 29

Ph©n lo¹i sîi quang:

Trang 30

C¸c lo¹i sîi quang:

Trang 31

C¸c lo¹i sîi quang:

(g) Sîi duy tr× ph©n cùc

Trang 32

C¸c lo¹i sîi quang sö dông trong VT:

Trang 33

C¸c lo¹i sîi quang sö dông trong VT:

- Sîi ®a mode chiÕt suÊt bËc:

Sîi truyÒn nhiÒu mode (coi mçi mode lµ mét tia s¸ng øng víi mét gãc lan truyÒn cho phÐp)

Trang 34

Các loại sợi quang sử dụng trong VT:

- Sợi đa mode chiết suất bậc:

Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng zigzag, gồm 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia nghiêng hoặc tia xoắn

Trang 35

- Sợi đa mode chiết suất bậc:

Số lượng mode truyền M ≈ V2/2 trong đó V = 2π.a.NA/λ

Trang 36

- Sợi đa mode chiết biến đổi đều:

; n )

1 ( n

a r

; ) a / r ( 1

n )

r (

n

2 1

1 Mặt cắt chiết suất

Trong đó a - bán kính lõi, α là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết suất trong lõi, α = 2 tương ứng với mặt cắt parabol

Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia nghiêng hoặc tia xoắn

Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đường cong hình sin do bị đổi hướng liên tục khi truyền trong sợi

Với α = 2, quỹ đạo các tia có thể mô tả r = rocos(pz)+(ro’/p)sin(pz) khi r<a Khẩu độ số

r (

Trang 37

- Sợi đa mode chiết biến đổi đều:

Số lượng mode truyền trong đó V = 2π.a.NA/λ

Tán sắc mode nhỏ hơn nhiều so với sợi SI ⇒ Tăng dung lượng mang thông tin của sợi

Trang 38

- Sợi đơn mode:

Mặt cắt chiết suất thường có dạng SI Kích thước sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ Sợi chỉ truyền một mode

Không có tán sắc mode Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng

Trang 39

- Sợi đơn mode:

Chỉ truyền 1 mode cơ bản duy nhất, mode LP01 hoặc 2 HE11

Điều kiện đơn mode: V < 2,405

Phân bố trường Ex hoặc Ey

Gần đúng dạng Gauss

w0 - bán kính trường hay đường kính trường mode (MFD) = 2w0

Trang 40

T¸n s¾c trong sîi quang:

T¸n s¾c trong sîi quang g©y ra sù d·n réng xung ¸nh s¸ng khi lan truyÒn

k dt

Trang 41

T¸n s¾c mode:

Nguyªn nh©n:

- Sîi truyÒn nhiÒu mode

- Mçi mode truyÒn cã vËn tèc nhãm kh¸c nhau (mçi mode cã

h»ng sè lan truyÒn kh¸c nhau)

⇒ LÖch thêi gian truyÒn g©y ra t¸n s¾c mode

§èi víi sîi MM-SI

§é lÖch thêi gian truyÒn gi÷a tia ng¾n nhÊt (mode bËc thÊp

nhÊt) vµ tia dµi nhÊt (mode bËc cao nhÊt)

(2.51)

Trang 42

Tán sắc mode:

Đối với sợi MM-GI

- Các tia có quãng đường ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ngược lại

- Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối ưu ở đó độ trễ thời gian là nhỏ nhất

- Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất)

c ) (

L )

( n T

opt

2

22 1

α = αopt

Trang 43

Ta cã:

(2.56)

2

2 2

21

λ

−λ

=λ

dn d

n

d d

dn c

Trang 44

Trang 45

∆

−

≈

τλ

−

=λ

τ

dV

) Vb ( d V c

n dV

d

V d

Trang 46

Tán sắc trong sợi quang:

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc sắc thể:

D = DM + DW Sợi đơn mode thông thường: D = 0 tại λ ≈ 1310 nm

tại λ = 1550 nm D = 15-18 ps/(nm.km)

(2.66)

Trang 47

Tán sắc trong sợi quang:

Thay đổi DW để thay đổi D ⇒ Các sợi quang mới

- Sợi dịch tán sắc

- Sợi tán sắc phẳng

- Sợi bù tán sắc

Trang 48

Trang 49

Tán sắc mode phân cực:

Nguyên nhân:

- Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao

- Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence)

Độ lệch chỉ số mode

- Xung quang truyền trong sợi một phần năng lượng mang bởi một trạng thái phân cực (trục nhanh), phần khác mang bởi trạng thái khác (trục chậm) ⇒ tán sắc mode phân cực (PMD)

(2.68)

Trang 50

Độ trễ thời gian:

Đối với sợi quang dài: Có sự ghép cặp mode ⇒ cân bằng thời gian truyền ⇒ giảm PMD

Nhiều ghép cặp mode tương ứng với một giá trị PMD hiệu dụng ⇒ Độ trễ nhóm vi sai (DGD)

(2.69)

Trang 51

Quá trình ghép cặp mode thay đổi theo môi trường sợi quang, độ dài ghép cặp mode biến đổi theo chiều dài sợi ⇒ Giá trị PMD tức thời là một biến ngẫu nhiên

Hệ số PMD: DPMD có đơn vị ps/km1/2

(2.70)

Trang 52

Suy hao:

Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo

định luật Beer:

dP/dz = -αP (2.77) α - hệ số suy hao Công suất tại khoảng cách truyền dẫn L:

P(L) = P(0).exp(-αL) (2.78) Hệ số suy hao:

(2.79)

(2.80)

Trang 53

Trang 54

Suy hao do hấp thụ:

Gồm 2 loại chính:

- Hấp thụ ngoài

- Hấp thụ thuần

Hấp thụ ngoài: do sự có mặt của các ion tạp chất

- Các tạp chất kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Co, Ni, Mn và Cr hấp thụ mạnh trong dải bước sóng 0,6 - 1,6 àm

Để mức suy hao < 1 dB/km, lượng tạp này phải < 1 ppb

- ion OH: nguồn hấp thụ chính do sự có mặt của hơi nước trong thuỷ tinh

Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 àm và các đỉnh hấp thụ điều hoà và tổ hợp của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 àm

Để mức suy hao < 1 dB/km, nồng độ ion OH phải < 10-8

Trang 55

Suy hao do hấp thụ:

Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi

- Hấp thụ cực tím (λ < 0,4 àm):

Các photon kích thích điện tử trong dải hoá trị và kích thích kên mức năng lượng cao hơn (Cộng hưởng hay chuyển tiếp điện tử)

- Hấp thụ hồng ngoại (λ > 7 àm):

Tương tác giữa các liên kết dao động và trường của tín hiệu quang (Cộng hưởng dao động)

Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng nhìn thấy

Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 àm < 0,1 dB/km

Trang 56

Trang 57

Suy hao do uèn cong:

Cã 2 kiÓu:

- Uèn cong vÜ m«

- Vi uèn cong

Uèn cong vÜ m«: b¸n kÝnh uèn cong lín so víi ®êng kÝnh sîi

- Khi b¸n uèn cong R gi¶m dÇn, suy hao t¨ng theo hµm mò ~ R/Rc),

∆α

+α

−

3 2

22

3

22

21

/ eff

kR n R

a N

N

∆+

Trang 58

Suy hao do uốn cong:

Vi uốn cong: bán kính uốn cong nhỏ theo trục

- Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều lên bề mặt

- Các méo dạng ngẫu nhiên quanh trục sợi ⇒ bề mặt không phẳng hoàn toàn ⇒ ghép cặp năng lượng mode giữa các mode dẫn và các mode dò hoặc không dẫn

- Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme

Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4

Trang 59

Suy hao khác:

Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang

Suy hao do hàn nối

Suy hao trong môi trường hidrogen và chiếu xạ gamma

Trang 60

Đường đặc tuyến suy hao:

Trang 61

Hiệu ứng phi tuyến:

Trường quang khi lan truyền trong sợi quang:

E(z+dz)=E(z)exp[(-α/2+iβ+γP(z,t)/2)dz]

trong đó γ - hệ số phi tuyến γ=(2π/λ)(n2/Aeff) ; n2 - chiết suất phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến chỉ ảnh hưởng khi công suất quang trong lõi sợi lớn (γ nhỏ)

Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang:

- Tán xạ kích thích: (γ là thực)

+ Tán xạ Raman kích thích (SRS)+ Tán xạ Brillouin kích thích (SBS)

- Điều chế pha phi tuyến: (γ là ảo)

+ Tự điều chế pha (SPM)+ Điều chế pha chéo (XPM)

(2.83)

Trang 62

Quá trình sản xuất sợi quang:

Sản xuất theo 1 giai đoạn:

- Ưu điểm: Kéo sợi liên tục

- Nhược điểm: Chỉ được sử dụng với thuỷ tinh có điểm nóng chảy thấp, khó điều khiển để sợi quang được đồng đều

Trang 63

Quá trình sản xuất sợi quang:

Sản xuất theo 2 giai đoạn:

- Chế tạo phôi: Có kích thước dài ~ 1 m, đường kính ~ 2 cm

- Kéo sợi

Trang 64

Cấu trúc tổng thể cáp quang:

Vỏ PE ngoài cùng

Lõi cáp Băng nhôm tráng

nhựa hai mặt

Vỏ PE ngoài cùng Băng thép

mã kẽm

Chất điền

đầy

Lõi cáp Cáp cống

Cáp chôn

- Phần lõi:

Phần tử gia cường Các ống đệm (khối ống đệm) Các sợi dây đồng để cấp nguồn Các phần tử độn & chất điền đầy

- Phần vỏ:

Vỏ PE thứ nhất bọc ngoài lõi (1mm) Lớp chống ẩm và chống gặm nhắm Vỏ PE ngoài cùng (1,5-2 mm)

Trang 65

Độ dãn tại

điểm cong(%)

ứng suất gãy (kg/mm 2 ) Độ dãn khi đứt

(%)

Dây thép Sợi carbon G-FRP Sợi tơ 49 Sợi tơ 29

7,86 1,50 2,48 1,44 1,44

0,2 ữ 1

1 ữ 1,5 3 2 1,2

50 ữ 300

150 ữ 200 300 300 300

20 ữ 25 1,5 2,4 2 4 Các đặc tính của một số vật liệu chế tạo phần tử gia cường

Sắp xếp các phần tử gia cường trong cáp sợi quang

Trang 66

ống đệm & khối đệm:

ống đệm chặt một sợi ống đệm lỏng một sợi

Đặt trong lõi rãnh chữ V Khối các băng dẹt

Trang 67

Độn và chất điền đầy:

Cáp trong nhà không phải điền đầy lõi cáp Để bảo vệ các phần

tử bện trong lõi cáp sử dụng băng mỏng plastic để quấn quanh lõi Ngoài ra đặt thêm một băng giấy rộng khoảng 6mm trên lõi cáp suốt dọc chiều dài cáp, trên đó có ghi khoảng cách theo mét Cũng có thể ghi chiều dài theo mét ngay trên vỏ ngoài của cáp.

Trang 68

Bện các phần tử trong lõi:

- Khi sản xuất cáp sợi quang thường sử dụng công nghệ bện các lớp của lõi cáp Các phần tử bện được sắp xếp tập trung trong một hoặc nhiều lớp xung quanh phần tử trung tâm

- Các phần tử trong một lớp được bện xung quanh phần tử trung tâm theo kiểu lò xo hoặc kiểu đổi chiều SZ

α

1

2

3 Góc bện α

Bước bện S

Chiều dài phần

tử bện L

Chu vi vòng tròn bện 2 π R

- Mối liên quan giữa bước bện S, góc bện α và chiều dài phần tử bện L:

=

S

R S

1sin

1

%1001

21

%100

S L L

Trang 69

Vỏ cáp:

- Vỏ PE:

Vật liệu chịu nhiệt được tổng hợp từ ethylene

Có mật độ thấp, dẻo, chịu lực căng tốt, màu đen

Dưới tác động của ngọn lửa có nhiệt độ cao hơn 2500C nước tách ra khỏi aluminum trioxyhydrate Thông qua tách nước và nước bốc hơi làm cho ngọn lửa yếu dần Nhiệt độ giảm thấp hơn và nồng độ oxy giảm do bổ sung hơi nước nên lửa bị dập tắt Vỏ EVA cũng có các đặc tính như vỏ PE nhưng

Trang 70

Trang 71

Mã màu trong cáp:

Số thứ

tự sợi

Màu sợi theo DIN 47002 (Đức) Theo FOCAL Theo VINA GSC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Xanh lam - BL Vàng YL–

Xanh lục - GN

Đỏ – RD

Tự nhiên - NT Xanh lam có các vòng tròn đen Vàng có các vòng tròn đen Xanh lục có các vòng tròn đen

Đỏ có các vòng tròn đen

Tự nhiên có các vòng tròn đen

Xanh lam - BL

Da cam - OR Xanh lục - GN Nâu - BN Xám - GY

Tự nhiên - NT

Đỏ - RD

Đen - BK Vàng - YL Tím - VI Hồng - LO Ngọc lam - AQ

Xanh lam - BL

Da cam - OR Xanh lục - GN

Đỏ - RD Vàng - YL Tím - VI Nâu - BN

Đen - BK

Tự nhiên - NT Xám - GY Xanh nhạt - LB Hồng - LO Mã màu sợi trong ống đệm lỏng nhiều sợi

Trang 72

Mã màu trong cáp:

Số thứ

tự ống

Màu ống Theo FOCAL Theo VINA GSC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Xanh lam - BL

Da cam - OR Xanh lục - GN Nâu - BN Xám - GY

Tự nhiên - NT

Đỏ - RD

Đen - BK Vàng - YL Tím - VI Hồng - LO Ngọc lam - AQ

Xanh lam - BL

Da cam - OR

Tự nhiên - NT Mã màu ống đệm

Tiêu đề	Kỹ thuật thông tin quang I
Tác giả	Cao Hồng Sơn
Trường học	Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Kỹ thuật thông tin quang
Thể loại	Bài giảng

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	3,41 MB

thông tin quang I

Tính toán chiều dài đoạn lặp: