Lời nói đầu Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang được chế tạo từ sợi thuỷ tinh). Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hản các phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh – nó còn là phương tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình cũng như thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Trong phạm vi đồ án này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin quang và các bước triển khai moọt hệ thống thông tin quang. Đồ án nay gồm hai phần như sau: Phần I: Tổng quan về hệ thống quang. Chương I: Hệ thống thông tin quang. Chương II: Cấu tạo sợi quang. 1 Chương III: Đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Chương IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện – quang và quang - điện. Chương V: Kỹ thuật ghép kênh quang. Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chương VI: Những vấn đề cơ bản trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin quang. Chương VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao. Mục đích của đồ án là nêu bật được nhứng điều quan trọng nhất trong một hệ thống thông tin quang và những yếu tố cần thiết để thiết kế một hệ thống thông tin quang. Tuy nhiên, để có được một kiến thức sâu rộng hơn về công nghệ truyền dẫn này phải có thời gian nghiên cứu và sự tích luỹ kiến thức hơn nữa. Đồ án này được thực hiện trông khoảng thời gian ngắn, do đó, không tránh khổi những hạn chế thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này. 2 Phần I Tổng quan về thông tin quang CHƯƠNG I HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG I.1. Thông tin sợi là gì? Sự truyền dẫn thông tin qua sợi quang được gọi là thông tin sợi quang. Có nghĩa là thông tin được chuyển thành tín hiệu ánh sáng sau đó được truyền trên sợi và tại bên thu sẽ nhận được tín hiệu quang đó biến đổi trở thành thông tin ban đầu. Như vậy: - Môi trường truyền dẫn thông tin quang là sợi quang. - Dạng tín hiệu truyền dẫn sợi là tín hiệu ánh sáng. I.2. Sơ đồ khối căn bản của một hệ thống truyền dẫn quang. - Nguồn tín hiệu là các dạng thông tin thông thường thuộc tiếng nói, hình ảnh, số liệu - Bộ xử lí: Xử lí nguồn tin tạo ra các tín hiệu đưa vào hệ truyền dẫn, có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. - Bộ biến đổi điện quang (E/O): biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu cường độ quang để phát đi. - Sợi quang (OF) : có vai trò như một kênh truyền dẫn, được dùng để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến. - Bộ biến đổi quang điện (O/E): là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tín hiệu điện. - Bộ xử lí : xử lí tín hiệu điện, biến đổi thông tin điện về dạng ban đầu. 3 Bộ xử lí B iến đổi E/O Bộ xử lí S ợi quang (OF) Nguồn Thu Hình I.1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn quang Biến đổi O/E O/E Nếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một hoặc hai trạm tiếp vận được gọi là trạm lặp (Repeater) có sơ đồ khối như sau: Trạm tiếp vận hay trạm lặp có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang lên và sửa lại dạng tín hiệu sau đó lại phát đi (tất cả quá trình trên đều làm ở dạng tín hiệu điện). Trạm lặp giúp cho bên thu thu tốt tín hiệu tránh lỗi do tán sắc. Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. 4 REPEATER Thu quang K Đ Sửa dạng Phát quang Hình I.2: Sơ đồ khối trạm lặp Tín hiệu quangTín hiệu quang Sợi quang Sợi quang Phần phát quang: Được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện liên kết với nhau. Nguồn phát quang ở thiết bị có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hặc điốt lazer (LD) . Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với các tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện của đầu vào của thiết bị phát ở dạng số hoặc có đôi khi ở dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của 5 Máy thu Nguồn sáng Mạch điện Tí n hiệu điện đầu v oà Máy phát Sợi dẫn Sợi quang Bộ chia quang Bộ nối T ín hiệu điện đầu ra Bộ khuyếch đại Tín hiệu điện Bộ ghép hoặc chia Bộ lặp Tới thiết bị khác Sợi dẫn Tín hiệu quang Má y phát quang B ộ tách sóng quang Khôi phục tín hiệu Mạch điều khiển Khuyếch đại quang Hình I.3: các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. Máy thu quang cường độ dòng điều biến cường độ ánh sáng. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến. Cáp sợi quang: Gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại của môi trường bên ngoài. Tương tự như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác, láp đặt với các điều kiện khác nhau. Chúng có thể được treo ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cống, thả dưới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét đến vài km. Tuy nhiên đôi khi thi công các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho cáp treo hoặc cáp trôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến cáp được lắp đặt. Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1310nm, 1550nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và được gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai, thứ ba tương ứng. Giá trị suy hao tối thiểu củae sợi quang đặc biệt đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/Km. Phần thu quang: Do bộ tách quang và các mạch tạo khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và bị méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu 6 quang được biến đổi lại thành tín hệu điện. Các điốt quang kiểu thác(APD) và điốt quang (PIN) có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang. Cả hai loại đều có hiệu suất làm việc và có tốc độ truyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang sẽ quyết định nên bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách song quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất thu quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép các hệ thống; điều này tương tự như ở tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự. I.3. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang : Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại : - Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh nên là môi trường trung tính với ảnh hưởng của: nước, axít, kiềm và là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện ngay cả khi lớp vỏ bọc bị hư hỏng thì nó vẫn truyền tin tốt. - Suy hao truyền dẫn thấp truyền nên truyền được tốc độ cao. Nó cho phép truyền dẫn băng rộng ở tần số lớn. Như vậy, nó cho dung lượng thông tin cao mà ít phải tăng số lượng cáp và cho phép đặt trạm lặp với khoảng cách lớn. - Không gây nhiễu ra bên ngoài cũng không gây xuyên âm giữa các sợi quang và cũng không bị ảnh hưởng của nhiễm điện từ nên nó cho chất lượng thông tin cao. - Có độ tin cậy cao nên nó đảm bảo yêu cầu về bảo mật thông tin. - Sợi được chế tạo từ những vật liệu có sẵn trong thiên nhiên cho nên giá thành của một hệ thống thì thấp hơn. Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ nên có ưu điểm lớn khi lắp đặt. I.4. Cơ sở của thông tin sợi quang: 7 I.4.1. Đặc tính của ánh sáng : Chúng ta nghiên cứu tới đặc tính của ánh sáng vì nó giúp ta hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và sự phụ thuộc của nó vào môi trường truyền. Như ta đã biết, sóng điện từ có thể được xem như là sóng hoặc hạt photon và tính chất này nổi bật ở từng vùng. Người ta phân chia các vùng sóng theo thông số:Tần số : f (Hz), Bước sóng :λ (m), Năng lượng photon: E (eV). Các thông số trên có mối quan hệ sau : c : Vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s ). h : Hằng số Planck (6,625.10 -34 J.s). - Phổ của sóng điện từ : được phân chia theo hai thông số là : tần số, bước sóng. Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại có bước sóng : 800 nm ÷1600 nm. + Đặc biệt có 2 bước sóng thông dụng:1300nm, 1550nm. - Chiết suất của một môi trường được trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy. n: Chiết suất của môi trường, không có đơn vị. n(không khí) = 1,00029; n(nước)= 1,333; n(thuỷ tinh) = 1,5. c: Vận tốc ánh sáng trong chân không (≈ 3.10 8 m/s). v: vận tốc áng sáng trong môi trường truyền đơn vị m/s. vì v ≤ c nên n ≥ 1. Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong nó. Ví dụ chiết suất của thuỷ tinh 100% SiO 2 thay đổi theo bước sóng: 8 cf =. λ λ υ hc hE == v c n = Do nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra ánh sáng trong một khoảng hẹp bước sóng chứ không phải chỉ có một bước sóng . Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này gọi là vận tốc nhóm và chiết suất của môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm n g . - Hiện tượng phản xạ và khúc xạ: Khi tia sáng truyền từ môi trường I chiết suất n 1 sang môi trường II có chiết suất n 2 (n 1 ≠ n 2 ) thì tại mặt phân cách tia sáng phân tách thành 2 tia mới: + Một tia phản xạ lại môi trường I (Tia phản xạ). + Một tia khúc xạ sang môi trường II (Tia khúc xạ). 9 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 1,43 n n λ λ d dn nn g −= 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 λ(µm) Hình I.4: Sự thay đổi của chiết suất n v chià ết suất nhóm n g theo bước sóng λ λ d dn nn g −= Mặt phân cách hai môi trường Tới Phản xạ Khúc xạ β I(n 1 ) II(n 2 ) α α Hình I.5: Hiện tượng khúc xạ v phà ản xạ, khi tia khúc xạ gãy vè phía pháp tuyến. Quan hệ của các góc tới, phản xạ, khúc xạ với các chiết suất n 1 ,n 2 theo định luật SNELL : α : Góc tới. β : Góc khúc xạ. Từ công thức SNELL ta thấy : + Nếu n 1 <n 2 thì α > β : tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến giống hình trên + Nếu n 1 >n 2 thì α < β: tia khúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến hơn. Nếu n 1 > n 2 thì khi tăng α, β cũng sẽ tăng theo, khi β = 90° ta có: 10 n 1 .Sin α = n 2 .Sin β Phản xạ Khúc xạ Tới Tới β α T I(n 1 ) II(n 2 ) Hình I.6: Hiện tượng phản xạ v khúc xà ạ khi tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn. [...]... sắc sắc thể Dmat: độ tán sắc chất liệu 20 Dwg: độ D(ps/nm.km) sóng tán sắc ống dẫn dmat d chr =dmat + dwg 10 III.2.2 Đặc tuyến tán sắc của sợi dẫn quang đơn mode 0 -1 0 dwg λ(nm) -2 0 Hình III.6: Đặc tuyến tán săcá của sợi dẫn quang đơn mode 26 III.2.3 Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn Tán sắc gây ra méo tín hiệu làm cho các xung ánh sáng bị dãn rộng ra khi truyền dọc theo sợi dẫn quang Khi... càng lớn làm hạn chế dải thông của tuyến truyền dẫn quang. Vì vậy, độ rộng phổ của nguồn quang ∆λ càng hẹp càng tốt - Góc phát ánh sáng: càng hẹp càng tốt vì như vậy sẽ tập chung được năng lượng quang vào lõi vì đường kính lõi của sợi quang rất nhỏ - Thời gian chuyển (Rise time) từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang của nguồn quang càng nhanh càng tốt 32 - Vì công suất quang phụ thuộc ít nhiều vào nhiệt... đơn mode người ta có thể sử dụng tán sắc ống dẫn sóng để bù trừ ảnh hưởng của tán sắc chất liệu tại các vùng bước sóng công tác phù hợp Do đó, sợi sẽ có độ rộng băng truyền rất lớn 30 Chương IV linh kiện bán dẫn biến đổi điện - quang quang - điện Các linh kiện sử dụng trong thông tin quang là linh kiện bán dẫn. Chất bán dẫn đều có 2 mức năng lượng của điện tử chia làm 3 vùng: +Vùng dẫn điện (Conduction... tối thiểu cho phép III.1.2 Đặc tuyến suy hao của sợi quang Tuỳ theo từng sợi quang cụ thể mà ta có đặc tuyến suy hao khác nhau Ta xét đặc tuyến của sợi đơn mode làm từ SiO 2 Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 2 vùng bước sóng suy hao thấp gọi là cửa sổ suy hao - Cửa sổ thứ nhất ở l1= 1300 nm có a ≈ 0,4 dB? km nghĩa là khi đi một quãng đường 50 km thì Pv/Pra = 100 lần - Cửa sổ thứ hai ở l = 1550 µm... trục, đồng tâm nhờ hệ thống điều chỉnh 3 chiều (máy tự làm) - Kiểm tra suy hao ngay tại mối nối để đặt sợi ở vị trí tốt nhất - Phóng tia hồ quang  2 đầu sợi nóng chảy  dính vào nhau - Kiểm tra lại mối hàn xem có khuyết tật không - Gia cố cơ học bảo vệ mối hàn 18 VD Máy hàn S1475 Sợi cung cấp: MM 50/125; 62.5/125 SM 10/125 Suy hao trung bình: SM 0,038dB MM 0,030dB Thời gian hoạt động: liên kết: 30s... đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ: Độ dãn phổ: 0 0,5 ÷0,8nm/ 0,4 nm/ 0C C * Đặc tính kỹ thuật của LED 50mA ÷ 30mA - Dòng điện hoạt động: 1.5 ÷ 2.5V - Điện áp sụt trên LED: - Công suất phát quang : 1÷ 3mW Đối với loại phát sáng cao có P(mW) thể là 10mW Các LED phát mặt có công suất phát cao mặt LED phát LED phát hơn rìa với cùng dòng điện kích thích ELED 100 300 500 I(mA) Hình IV.6: Đặc tuyến công... độ hoạt động: -1 0oC ÷ 50oC Nhiệt độ giữ: - 30oC ÷60oC Độ dài sợi cáp trần: tiêu chuẩn 10 mm Khả năng tiêu biểu của bộ dụng cụ: >60 mối hàn trong một chu trình 60 >30 mối hàn/ chu trình đốt nóng 50 n=100 AVG=0.038 dB 40 30 α =0.024dB 20 10 0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 Hình II.8: Biểu diễn theo biểu đồ 0.10 0.12 0.14 19 II.4.3 Kết nối bằng connector: Người ta kết nối bằng conector hoá cáp quang nhiều lõi... giữa chúng Conector MF Sợi quang Gá ép Hình II.8: Kết nối sử dụng loại MF 20 CHƯƠNG III ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng nó tác động vào toàn bộ quá trình truyền dẫn thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang III.1 Suy hao tín hiệu:... tượng toàn phần Ánh sáng truyền qua sợi quang từ đầu phát tới đầu thu với suy hao sợi ở mức cho phép II.1 Cấu trúc sợi quang Lõi 9µm Lớp vỏ Lớp vỏ sơ cấp Lớp vỏ thứ cấp Hình II.1: Cấu trúc sợi quang Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở tần số quang Cấu trúc căn bản của có gồm một lõi hình trụ đặc được bao quanh bởi một lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi có chiết suất nhỏ hơn chiết... nhân của tán sắc chất liệu + Tán sắc ống dẫn sóng: Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng Sự phân bố này tạo nên sự tán sắc gây nên tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ và chỉ đáng chú ý đối với sợi đơn mode Sợi đơn mode chỉ có tán sắc sắc thể Tán sắc mode Tán sắc tổng cộng Tán sắc vật liệu Tán sắc sắc thể Tán sắc dẫn sóng Độ tán sắc tổng cộng được tính theo . truyền dẫn của sợi quang. Chương IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện – quang và quang - điện. Chương V: Kỹ thuật ghép kênh quang. Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chương. trình thiết kế hệ thống thông tin quang. Chương VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao. Mục đích của đồ án là nêu bật được nhứng điều quan trọng nhất trong một hệ thống thông tin quang. tuyến cáp được lắp đặt. Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến