BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN CH NG I. KHÁI QUÁT V H TH NG THÔNG TIN QUANGƯƠ Ề Ệ Ố 1 1.1. T ng quan v h th ng thông tin quangổ ề ệ ố 1 1.2. S kh i c a h th ng thông tin quangơ đồ ố ủ ệ ố 3 1.2.1. Ch c n ng các kh iứ ă ố 3 1.2.2. Các tham s c b n c a h th ng thông tin quangố ơ ả ủ ệ ố 3 CH NG II. CÁP S I QUANGƯƠ Ợ 5 2.1. C u t o v phân lo i cáp s i quangấ ạ à ạ ợ 5 2.1.1. C u t o cáp s i quangấ ạ ợ 5 2.1.2. Phân lo i s i quangạ ợ 5 2.2 C s lý thuy t truy n d n ánh sángở ở ế ề ẫ 6 2.2.1 C s lý thuy tơ ở ế 7 2.2.2. Kh u i u ch sẩ đ ề ế ố 8 2.2.3. Lý thuy t mode sóngế 10 2.3. Các c tr ng suy hao c a s i quangđặ ư ủ ợ 11 2.3.2. Ph suy haoổ 12 2.3.3. c tính tán s c c a s i quang Đặ ắ ủ ợ 14 CH NG III. NGU N PHÁT QUANGƯƠ Ồ 17 3.1. Nguyên lý b c x ánh sáng c a ch t bán d nứ ạ ủ ấ ẫ 17 3.1.1. Nguyên lý b c x ánh sángứ ạ 17 3.1.2. Các ch t bán d n dùng ch t o ngu n phát quangấ ẫ để ế ạ ồ 19 3.2 Phân lo i ngu n phát quang ạ ồ 21 3.3. Diode phát quang (LED) 22 3.3.1. LED phát x m tạ ặ 23 3.3.2. LED phát x c nhạ ạ 24 3.3.3. Các c tr ng k thu t c a LEDđặ ư ỹ ậ ủ 24 3.4. LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 26 3.4.1. C u trúc v nguyên t c l m vi cấ à ắ à ệ 26 3.4.2. M t s lo i laser c s d ngộ ố ạ đượ ử ụ 27 3.4.2.1. Laser a mode Fabry_Pero (F_P) đ 27 3.4.2.2. LASER n modeđơ 28 3.4.3. Các c tr ng c a laserđặ ư ủ 30 CH NG IV. NGU N THU QUANGƯƠ Ồ 34 4.1. Khái quát v ngu n thu quangề ồ 34 4.2. Photo diode P-N 34 4.2.1. C u t o v nguyên t c tách sóng quang c a photo diode P-Nấ ạ à ắ ủ 34 4.1.3. Các c tính k thu t c a photo diode P- Nđặ ỹ ậ ủ 35 4.3. Photo diode PIN 37 4.3.1. C u t o v nguyên lý l m vi cấ ạ à à ệ 37 4.3.2. Tham s k thu t c a PINố ỹ ậ ủ 38 4.4. Photo diode thác APD 39 4.4.1. C u t o v nguyên lý l m vi cấ ạ à à ệ 39 4.4.2. Các tham s k thu t c a APDố ỹ ậ ủ 41 CH NG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO TH I GIANƯƠ Ờ 43 5.1. T ng quan v h th ng ghép kênh phân chia theo th i gian OTDMổ ề ệ ố ờ 43 5.1.1. Nguyên lý ghép kênh trong h th ng OTDMệ ố 43 5.1.2 Phát tín hi u trong h th ng OTDMệ ệ ố 44 5.2 Gi i ghép v xen r kênh trong h th ng OTDMả à ẽ ệ ố 45 5.2.1 Gi i ghépả 45 5.2.2. Xen r kênhẽ 48 5.2.3 ng b quang trong h th ng OTDM Đồ ộ ệ ố 49 5.3. c tính truy n d n c a OTDMĐặ ề ẫ ủ 50 5.4. B khu ch i s i quang pha tr n ERBIUM (EDFA)ộ ế đạ ợ ộ 51 5.4.1 Các c u trúc EDFAấ 51 5.4.2. Lý thuy t khu ch i trong EDFA ế ế đạ 53 5.4.3. Yêu c u i v i ngu n b mầ đố ớ ồ ơ 56 5.4.4. Ph khu ch i ổ ế đạ 59 5.5. K t lu n ch ngế ậ ươ 61 K T LU NẾ Ậ 62 DANH M C TÀI LI U THAM KH OỤ Ệ Ả 63 DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ BẢNG: BẢNG 2.1: Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM BẢNG 5.2: So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm BẢNG 5.3: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L HÌNH: HÌNH 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang HÌNH 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng HÌNH 2.2: Truyền ánh sáng trong sợi quang HÌNH 2.3: Khẩu điều chế số HÌNH 2.4: Phổ suy hao của sợi quang HÌNH 2.4: Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt HÌNH 3.4: Cấu trúc LED phát xạ cạnh HÌNH 3.5: a) Bức xạ tự phát HÌNH 3.5: b) bức xạ kích thích HÌNH 3.6: Cấu trúc của bộ lọc ngoài HÌNH 3.7: Đồ thị phổ bức xạ của LASER HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử η HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er 3+ HÌNH 5.7: Phổ hấp thụ và phổ độ lợi HÌNH 5.8: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm. HÌNH 5.9: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược CP Condirectional Pumping Bơm thuận CR Coupling Ratio Tỉ số ghép D Directivity Tính dịnh hướng DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc DP Dual Pumping Bơm hai chiều DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc EDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GS Gain Spectrum Phổ độ lợi IL Insertion Loss Suy hao xen ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu LD Laser Diode Điốt Lase LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LW Linewidth Độ rộng kênh truyền MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MB Mestable Bend Vùng giả bến MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi Gradien MM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc MoD Mode Dispersion Tán sắc mode NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần số OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang OWDM Optical Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng OxC Optical Crossconnect Bộ kết nối chéo quang P Padiation Phóng xạ ánh sáng PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN PL Pumping Laser Laser bơm PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha RL Return Loss Suy hao phản hồi SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc SMF Sợi đơn mode tiêu chuẩn SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên U Uniformity Tính đồng nhất WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu. Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn. Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao. Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang – điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang). Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫn của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn. Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vô cùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới. Do đó để bao quát hết được vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn. Chính vì thế, chúng em đã chọn đề tài “TRUYỀN DẪN QUANG” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau: CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhược điểm của hệ thống. CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và các đặc tính riêng của từng loại. [...]... PHÁT QUANG Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang CHƯƠNG IV NGUỒN THU QUANG Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thu tín hiệu quang CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, ... chịu lực 2.1.2 Phân loại sợi quang Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất... Index) Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa mode (multi mode) Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất Theo đó người ta phân sợi quang thành 3 loại sau: 1 Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI Chiết suất của lớp vỏ lõi là n1 và lớp vỏ là n2 đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời GVHD:... lõi lập với pháp tuyến mặt phân chia giữa lớp lõi và vỏ có góc tới lớn hơn góc tới hạn ϕ 0 thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách và truyền dọc trong lõi sợi quang theo đường zích zắc mà không đi ra ngoài vỏ Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang Đối với sợi quang GI, chiết suất lõi sợi biến đổi theo lõi sợi quang không theo đường thẳng zích zắc theo đường cong dạng hình... khoảng thời gian sẽ gặp nhau theo chu kỳ 2.2.2 Khẩu điều chế số Để đặc trưng về khả năng ghép lượng ánh sáng vào lõi sợi quang người ta đưa vào đại lượng gọi là khẩu độ số, kí hiệu là NA GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 8 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang Ta đã biết, để tia sáng đi vào lõi sợi quang và truyền dọc theo lỡi sợi cần thực hiện được điều kiện phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia. .. phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns) • Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm), bước sóng làm việc, thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm) GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 4 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang CHƯƠNG II CÁP SỢI QUANG 2.1 Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang 2.1.1 Cấu tạo cáp sợi quang Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện... hệ thống thông tin quang • Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR • Tỉ số lỗi bit BER ( 10 −9 ÷ 10 −12 ) • Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz) • Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và tốc độ bit BxL (Mbit/skm) • Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng... tin quang 1.2.1 Chức năng các khối Hệ thống thông tin quang bao gồm các khối: 1 Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn và ngược lại 2 Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang. .. tin quang: Dung lượng lớn: các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm thoại, một cáp sợi quang đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại mà một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời Kích thước và trọng lượng nhỏ: so với một cáp đồng trục có cùng dung lượng thì cáp sợi quang. .. bề mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n 1>n2 khi sóng ánh sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng Khi tia sóng truyền từ môi trường một đến mặt phân cách chia hai môi trường dưới góc ϕ1 (góc lập giữa tia tới và pháp tuyến n cuả mặt phân cách) . V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO TH I GIAN Ơ Ờ 43 5.1. T ng quan v h th ng ghép kênh phân chia theo th i gian OTDM ề ệ ố ờ 43 5.1.1. Nguyên lý ghép kênh. Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần số OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTN Optical Transport