Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc

Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc bao gồm những nội dung về các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin; phổ điện tử của hệ thống thông tin; quá trình phát triển hệ thống thông tin sợi quang và một số nội dung khác.

Nguồn bản tin Máy phát

Kênh truyền

Máy thu Nơi nhận bản tin

COMMUNICATION

Component Optical Fiber

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

THÔNG TIN SỢI QUANG

 Năm 1960: nguồn Laser ra đời

 Dùng kênh AS để truyền tín hiệu

*  AS  5*10 14 Hz  nguồn Laser có dung lượng thông tin

* Do chi phí cao và ảnh hưởng của thời tiết

 Hệ thống : kém hấp dẫn

 Vật liệu truyền dẫn: Sợi quang (Tạo ra kênh quang

tin cậy & linh hoạt)

* Ban đầu: suy hao rất lớn (>1.000dB/km)

* 1966 : Kao, Hochman, Wertst : suy hao lớn là do nguyên vật liệu sợi quang không tinh khiết

* Hai thập kỷ sau: Độ suy hao còn 0.16 dB/km tại  = 1550nm ( lý thuyết: 0.14 dB/km )

 Công nghệ bán dẫn: Cung cấp: Nguồn AS

+ Bộ tách quang + ống dẫn sóng quang



Tuyến truyền dẫn thông tin sợi quang

* Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn.

* Kích cỡ và trọng lượng nhỏ.

Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang

Phần phát:

– 1 nguồn sáng

– Mạch điều khiển nguồn sáng

Oáng dẫn sóng (sợi quang)

Phần thu:

– Một khối tách sóng quang

– Mạch khôi phục và khuyếch đại tín hiệu

CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN

DẪN SỢI QUANG

Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang

Optical Fiber communications, 3 rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

Suy hao sợi theo bước sóng

Basically two windows available:

– 1.3 mm and 1.55 mm

The lower window used

with Si and GaAlAs

and the upper window

with InGaAsP compounds

There are single- and monomode

fibers that may have step or

graded refraction index profile

Propagation in optical fibers

is influenced by attenuation,

scattering, absorption,dispersion

In addition there are non-linear

effects that are important in

WDM-transmission

Operating range of 4 key components in the 3 different

optical windows

Sự suy giảm và sự tán sắc vật chất.

 Khi bước sóng tăng lên

trong miền phổ khả kiến

thì độ suy giảm giảm

xuống tối thiểu vào

khoảng 0.3 dB/ km ở  0 =

1.3 m.

 Hệ số tán sắc D của ống

thuỷ tinh thạch anh nóng

chảy cũng phụ thuộc vào

bước sóng.

Hoạt động của bước sóng đối với các hệ

truyền thông sợi quang

 Một thiết kế đạt tiêu chuẩn đã sử

dụng các ống mode đơn graded –

km)

Độ tán sắc (ps/ km-nm) 0.87 1.5 -80

1.312 0.3 0

1.55 0.16 +17

Những vật liệu đạt tiêu chuẩn.

 Bao gồm kim loại nặng, thuỷ tinh florua, tinh thể Halogen và thuỷ tinh chalcogenide (sulfua, selenium…).

 Đối với những loại vật liệu này dãy hấp thu hồng ngoại định vị xa hơn trong vùng hồng ngoại so với thuỷ tinh silicat vì thế vào giữa vùng hồng ngoại thì chúng làm giảm bước sóng Rayleigh.

Các nguồn của một bộ truyền tải quang học

 Công suất , tốc độ, độ rộng vạch phổ, tạp âm.

Các đầu thu quang học

 Đầu thu ở 0.87 m.

– Photodiode p-i-n và APD đều sử dụng được ở bước

sóng này.

 Đầu thu ở 1.3 và 1.55 m.

– Ge và InGaAs p-I-n đều sử dụng được InGaAs được

ưu tiên hơn bởi chúng có độ ổn định nhiệt cao hơn và dòng tối thấp hơn.

Hệ thống sợi quang

0(m) Sợi quang Nguồn Detector

0.87 Đa mode step-index LED AlGaAs

Laser InGaAsP

p–i–n APD

Si

Ge

InGaA s

1.3 Đa mode graded-index

1.55 Đơn mode

Hệ thống 1: sợi đa mode ở 0.87 m.

Hệ thống 2: sợi đơn mode ở 1.33 m.

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Theo hai hình thức digital và analog

1 Hệ thống truyền thông Digital:

 Sử dụng nguồn LED hoặc diode laser :

 Đầu dò quang p-i-n hoặc APD

 Cường ánh sáng được điều biến trong 1 hệ thống khóa (OOK) bởi việc bật tắt nguồn thể hiện bởi những bits “1” và “0” (hình 10)

Hình 10

Mục đích : hướng đến khoảng cách truyền

dẫn lớn nhất L với tốc độ bit B0 bit/s sao

Sơ đồ hoạt động của hệ thống digital:

1 0 1

T b

Máy phát laser hoặc LED Xung quang

Xung điện đầu vào

Sợi quang

Xung quang bị suy hao và méo mó

Photo diode thác hoặc pin Dòng xung điện có nhiễu bộ

tách sóng quang

Bộ khuếch đại và lọc Xung điện áp

và nhiễu

bộ khuếch đại

1 0 1

Các xung điện áp đầu

ra sau khi tái tạo

Mạch quyết định

và bộ tái tạo xung

Thiết bị

xử lý tín hiệu tâm khe thời gian Mũi tên biểu thị

T b

 Tốc độ lỗi bit:

Hoạt động của hệ thống được đo bởi khả năng sai số của một bit, gọi là tốc độ lỗi bit (BER).

khả năng xảy ra của “0” đối với “1”

 Độ nhạy máy thu:

+ Số photon trung bình:

để đảm bảo BER  10 -9

 độ nhạy máy thu lí tưởng là 10 photon/ bit.

ứng với năng lượng quang học hn 0 /bit , ta có:

 Hướng thiết kế:

 Cung cấp nhiều xung lan truyền để bổ sung vào sự

 Cần có điều kiện đối với : công suất và  để sự liên kết vận hành

 Nếu B 0 được giữ cố định và tăng L  hiệu suất

giảm: Công suất nhận được nhỏ hơn độ nhạy công

suất máy thu P r , hoặc  > 1/B 0

a Hiệu suất của việc suy giảm:

Độ nhạy công suất của máy thu:

L giảm khi B0 tăng theo thang logarit với hệ số là 10/

H 13 : đồ thị biểu diễn mối quan hệ này tại bước sóng 0.87 , 1.3 và 1.55m

b.Hiệu suất của sự tán sắc:

 tăng theo L Khi  > T = 1/B 0 , hiệu suất này giảm xuống khi xuất hiện giao thoa.

Độ rộng cực đại chỉ cho phép là ¼ đối với khoảng thời gian một bit.

+ Sợi cáp quang Step – index:

(7)

c 1 = c 0 /n 1 : vận tốc A/S nguyên liệu của lõi.

 = (n 1 – n 2 )/n 1 : sai số tương đối.

+Sợi quang Graded – Index:

D: hệ số tán sắc của vật liệu cáp quang

2 Hệ thống truyền thông analog:

hiệu là hàm liên tục theo thời gian.

- Công suất của nguồn sáng (thường :LED) được

điều biến bởi tín hiệu và truyền dẫn bởi sợi quang

đến máy thu.

- Sự biến dạng tín hiệu do:

+ Sự tắt dần trong sợi dẫn.

+ Sự tán xạ trong sợi dẫn.

- Cả hai hiệu ứng có hại này tăng theo L.

- Chiều dài cực đại L được xác định khi đảm bảo 2 điều kiện:

+ Sự tắt dần trong sợi dẫn phải cực nhỏ.

- Độ nhạy là cơng suất quang nhỏ nhất cho phép tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR của dịng photon vượt quá giá trị qui định SNR 0

B: Độ rộng vùng của máy thu.

P h

 độ nhạy máy thu trở thành n0 = SNR0 photon trên thời gian

hồi đáp và công suất tương ứng là Pr = hn0(2B)

So sánh giữa (1) và (11) : mối quan hệ giữa LB 0 trong hệ thống digital được xác định trong hệ thống

Ví dụ : sợi quang dài 1km truyền với dữ liệu digital

thể truyền bằng dữ liệu analog với độ rộng vùng 1 GHz và với tỉ số tín hiệu trên tạp âm ít nhất là 10.