Đang tải... (xem toàn văn)
trình bày về hệ thống thông tin quang - thiết bi tuyến cáp quang Hà Nội hải Phòng
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN L IM U Y u t th i gian óng vai trị quy t thơng tin trư c ngư i ó s có t t c c truy n nh thông tin Ai n m c tăng t c i m t l n truỳên tin tăng lư ng tin ng truy n hay d i thông tin (Bandwith), ngư i ta ã ưa công ngh thông tin quang cáp quang vào h th ng vi n thông V i nh ng ưu i m t v i d i thông tin l n, t c truy n tin r t nhanh, khơng b nh hư ng b i nh ng tín hi u i n t không gian ngư c l i Nó khơng phát tín hi u i n t làm nhi u thi t b xung quanh, nguyên li u s n có có nhi u Cáp quang gi i pháp t v i gi i quy t nh ng v n mà phương ti n truy n d n khác dư ng ch u bó tay Trong h th ng thơng tin quang, tín hi u c truy n d n dư i d ng ánh sáng (photon) môi trư ng truy n d n cáp s i quang Cáp quang phương ti n truy n d n h t s c hi u qu m ng thuê bao nói riêng m ng khác nói chung Cơng ngh m i phương ti n truy n d n an toàn nh t m i i u ki n th i bình th i chi n, c bi t chi n tranh i n t Nó óng vai trị a năng, truy n d n m i d ch v vi n thông v i ch t lương cao, ng b hi n i truy n s li u, ph c v h i ngh truy n hình, truy nh p d li u t xa d n t p thông tin a phương ti n Trong tương lai cáp quang s d n thay th nh ng ôi dây kim lo i c ng k nh, t n nư c ta nh n th c c t m quan tr ng c a công ngh thông tin quang nên ã nhanh chóng c ng d ng quân i M t lo t nh ng n cáp quang m i c hình thành i vào khai thác n cáp quang B c Nam g m n chôn dư i t theo qu c l 1A n treo theo ng dây 500KV v i dung lương 1,5 Gb, tương ương v i 3.000 kênh th i m t ôi s i quang, t o vịng truy n d n hình thành sa l thông tin nư c T nh ng nh n xét cho th y h th ng thông tin v i cáp quang làm phương ti n truy n d n m t ng d ng nh m t i ưu hoá m ng lư i vi n thông, em l i cho ngư i nh ng l i ích khơng th ph nh n c Chính v y em THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN ã ch n tài “H th ng thông tin quang - Thi t k n cáp quang Hà N i - H i Phòng” Sau th i gian nghiên c u em vi t báo cáo th c t p úc k t l i nh ng ã hi u c v TH thơng tin quang, m c dù m i ch nh ng ki n th c b n, chưa i sâu vào trình làm tài ch c ch n s giúp em r t nhi u án sau Em r t mong nh n c s phê bình góp ý c a th y b n bè có th làm em án c t t PH N A: THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG I: T NG QUAN V CÁP QUANG I C u t o s i quang: T “s i quang” có nghĩa “ s i m nh d n ánh sáng” bao g m hai ch t i n môi su t khác (ch t i n môi thu tinh hay nh a ) m t ph n cho ánh sáng truy n ó (là tia nhìn th y tia h ng ngo i) g i lõi s i, ph n l i l p v bao quang lõi V t li u c u t o lõi s i thơng thư ng thu tinh cịn v ph n x có th thu tinh hay ch t d o su t Lõi có chi t su t n1, v v t li u d n quang chi t su t n2 th ph n x ánh sáng có c tồn ph n s i quang n2 < n1 V i bán kính lõi a ta có: l ch chi t su t tương i∆= ∆n n1n2 = n1 n1 l ch chi t su t ∆n = n1 n2 Hai tham s quy t nh c tính truy n d n c a s i quang THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN II Phân lo i s i quang S i quang c phân lo i theo S i quang th ch anh nhi u cách phân lo i theo S i quang thu tinh a v t li u v t li u i n môi s d ng, S i quang b ng nh a mode truy n d n, phân b chi t su t khúc x c a lõiv.v Vi c phân lo i có th tóm t t b ng sau:Phân lo i theo v t li u i n môi Phân lo i theo mode lan truy n Phân lo i theo phân b S i quang ơn mode S i quang a mode S i quang chi t su t Các lo i s i a mode ơn mode Trên hình 1.2 s lan truy n ánh sáng lo i s i khác i m c a s i a mode truy n d n c ng th i nhi u mode s i ơn mode ch truy n d n m t mode Khi hi u mode tia sáng thành ph n hình v ta th y, s i a mode nhi u tia c truy n d n theo ng i khác nhau, s i ơn mode ch có m t tia ch y s i Hình 1.2: Lan truy n ánh sáng s i khác Theo s bi n thiên chi t su t bên ru t s i ã có ph n phân lo i ta có s i có chi t su t b c SI (Step Index) s i có chi t su t bi n thiên GI(Gran Index) Trong s i SI, chi t su t c a m t n1 không thay u i n1 > n2 c a v nên t i m t phân cách v - ru t chi t su t có bư c nh y Trong s i GI chi t su t n1 c a ru t t giá tr l n nh t t i tâm ru t gi m d n cho nm t phân cách v ru t b ng giá tr n2 c a v S i ơn mode c ch t o s i SI Có th chia lo i s i quang thành lo i: + S i a mode chi t su t b c: SI-MM (Multi Modes) + S i a mode chi t su t bi n i: GI - MM THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN + S i ơn mode chi t su t bi n V t li u ch t o i: SI - SM( Single Mode) c tính h c c a s i d n quang ph n ta ã xem xét b n v c u trúc s i quang Nhìn chung chúng có c u t o g m lõi v ph n x t o nên s i d n quang dài m nh Chúng có vai trị truy n tín hi u thơng tin cho c ly xa t c l n nên ph i c c u t o b ng v t li u phù h p v i b n ch t truy n c a chúng Chính lý ó mà v t li u ch t o ch y u thu tinh s i thu tinh th ch anh, s i thu tinh Halogen, s i thu tinh tích c c Và lo i s i v ch t d o PCS c tính h c: Ngồi c tính truy n d n c a s i quang c tính h c óng vai trị r t quan tr ng S c b n hai quang B i lúc b c cáp l p t, cáp t i tr ng tác d ng xung l c ho c thay tr ng thay c tính h c b n c a s i d n ng vào s i có th i t t Khi cáp c khai thác n t i i r t ch m có th nh hư ng c a t0 thay i, s không n nh c a môi trư ng III Nguyên lý lan truy n ánh sáng s i quang Các c i m c a ánh sáng ánh sáng truy n th ng môi trư ng chi t su t khúc x ng nh t, b ph n x ho c khúc x t i biên ngăn cách ánh sáng gi a hai môi trư ng có chi t su t khúc x khác S truy n th ng, khúc x ph n x c tính b n c a sáng Hình 1.3: Hi n tư ng khúc x ph n x ánh sáng Xét tia sáng (1) i t môi trư ng chi t su t n1 sang môi trư ng chi t su t n2 v i n1 < n2 T i m t phân cách gi a hai môi trư ng x y hi n tư ng M t ph n ánh sáng ph n x l i môi trư ng lan truy n m t ph n khúc x sang môi trư ng n2 Khi góc t i α l n d n lên t i m t góc α c s t o tia khúc x n m song song v i ranh gi i phân cách môi trư ng ó α c góc gi i h n Lúc không t n t i tia khúc x mơi trư ng n2 THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN Hi n tư ng tia sáng ph n x tr l i môi trư ng ban u t i m t phân cách g i hi n tư ng ph n x ánh sáng toàn ph n Lúc góc khúc x = 900 n2 n1 Khi ó: Sin αc = M t c i m quan tr ng khúc x v n t c ánh sáng thay i theo chi t su t khúc x c a môi trư ng mà ánh sáng lan truy n qua N u cho v n t c ánh sáng khơng khí V v n t c c a mơi trư ng có chi t su t n1 n2 tương ng v/n1 v/n2 Quá trình ưa ánh sáng vào s i quang ánh sáng c phát t ngu n phát quang b khuy ch tán nhi u x Mu n ưa ánh sáng vào lõi c a s i c n ph i t p trung ánh sáng Tuy nhiên không ph i t t c ánh sáng c t p trung u có th ưa vào s i mà ch m t ph n góc t i n m m t gi i h n nh t nh m i có th ưa c vào lõi quang i m ưa vào s i quang c chia thành môi trư ng li n có chi t su t khúc x khác ó mơi trư ng khơng khí, lõi v c a s i quang có giá tr chi t su t l n lư t n0(-1), n1 n2 ây góc nh n l n nh t θmax góc m i v i tia s (2) có góc t i b ng góc t i h n θc T i biên c a không khí lõi, lõi v áp d ng nh lu t Smell cho ta hai phương trình: Sin θmax = n1Sin θc Sin (900 -θc)= Cos θc = Khi n1 = n2 góc m n2 n1 c tính : Sin θmax = n12 − n2 = n1 ∆ Trong ó ∆ = (n1 - n2)/n1: l ch chi t su t tương i Các tia sáng ưa t i s i quang v i góc n m góc m l n nh t c a s i s truy n lan su t d c theo lõi s i b ng cách l p i l p l i ph n x toàn ph n gi a biên c a l p lõi v Ánh sáng truy n qua s i quang a mode b c THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN S i quang a mode chi t su t ánh sáng b c có chi t su t lõi khơng i, ng kính lõi g n b ng 100µm, b c bên ngồi v b ng l p thu tinh có ng kính l n chi t su t bé lõi r ng băng t n Khi m t tia sáng i vào s i quang v i m t góc tương t c ng biên cho t i ch y t 100MHz Km i h p, b ph n x liên u cu i Lo i s i quang truy n c hàng ngàn d ng sóng khác Khi tia sáng chi u vào u s i quang, chúng truy n v i nhi u t c khác nhau, l n lư t ph n x qua m t ti p giáp gi a lõi v i ngồi s i quang khơng m t th i gian Do ó mà xung ánh sáng r ng c a xung thư ng b n i r ng i u d n u so v i u vào b n vi c truy n xung ánh sáng s i a mode b c tín hi u d b sai l ch Các tham s b n: c trưng cho d ng sóng truy n s i quang, ngư i ta tính i lư ng t n s chu n hố F: F= 2πaA λ Trong ó: λ bư c sóng c a tia sáng A góc m v i A = Sin θc = n12 − n2 n1, n2: l n lư t chi t su t lõi v a : bán kính lõi s i Trong s i a mode b c g m nhi u d ng sóng, ó có tia b n (LP01) nh ng tia truy n vào lõi s i quang v i góc t i α0 = 900 nh ng tia truy n lõi s song song v i tr c c a lõi Còn tia khác l n lư t v i b c cao t o thành góc θc cho n b c cao nh t (LP11) nh ng tia có góc t i h n t i góc gi i h n θc nh ng tia l n lư t ph n x nhi u l n qua m t phân cách gi a lõi v s i quang Ánh sáng truy n qua s i quang ơn mode a c i m tránh v n tán s c gi a m ch thi t k s i quang d t cho ch truy n m t mode Vì ch có m t mode lan truy n nên khơng l ch th i gian THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN cu i s i, khơng méo tín hi u ó s i có băng t n l n cho phép truy n c lư ng thông tin r t l n i xa Lư ng thơng tin t c 100Gb/s, bư c sóng λ = 1.300nm b- C u trúc b n c a s i quang ơn mode t i ưu: Lo i s i quang ơn mode λ = 1.300nm có c i m quan tr ng suy hao b ng t i bư c sóng 1.300nm nên g i s i quang t i ưu S phân b công su t lõi s i h u h t công su t quang truy n lõi, mà bư c sóng tăng cao bư c sóng c t m t ph n truy n lõi V c u trúc c a s i quang t i ưu có d ng b n sau: Lo i ch s ơn b c: Có ng kính trư ng mode kho ng 10µm, góc m λ = 0,11 Như v y lo i c u trúc có h s khúc x , h s góc m l n Lo i ch s b c: Lo i có ng kính mode bé kho ng 9µm IV Suy hao s i quang o suy hao quang xác nh suy hao công su t ánh sáng lan truy n s i quang N u suy hao nh s cho phép kho ng cách truy n d n tín hi u l n Suy hao tín hi u c quang có nh nghĩa t s công su t quang l i Pout c a s i dài L công su t quang u vào Pin T s công su t m t hàm c a bư c sóng α= 10 log L Pin P out Suy hao s i quang có th chia thành lo i: Suy hao h p th H p th thi u h t nguyên t thành ph n phân t Vi c thi u h t nh ng c u trúc nguyên t ch t li u ch t o s i quang Các suy hao ch nên k s i ch u b c x nguyên t m ch H p th nguyên t không thu n t ch t li u th y tinh Ch y u s chuy n hố ion kim lo i Crơm, coban, ng Các suy hao h p th xu t hi n chuy n ti p i n t gi a m c lư ng l n bên THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN khơng c làm y c a ion ho c chuy n ti p t ion t i ion khác H p th v t li u d i h p th dao i n t vùng c c tím d i ng nguyên t vùng h ng ngo i Quá trình h p th xu t hi n m t photon tương tác v i m t i n t vùng hố tr kích thích i n t lên vùng cao Suy hao tán x : Còn g i suy hao tán x Rayleigh Tán x Rayleigh m t hi n tư ng mà ánh sáng b tán x theo hư ng khác g p ph i m t v t nh có kích thư c khơng q l n so v i bư c sóng c a ánh sáng suy hao c a tán x Rayleigh t l ngh ch v i lu th a b c c a bư c sóng (α ) Nguyên nhân: Do c u trúc s i quang không ng nh t gây ra: Các s i quang th c t không th có c u trúc trịn lý tư ng c u trúc hình tr u d c su t v lõi s i T i b m t biên gi a lõi v ch có s g gh không nh n, t i nh ng ch ánh sáng b tán x m t vài ch phát x ánh sáng Như v y nh ng ch không b ng ph ng gây nên suy hao, làm tăng suy hao quang có ph n x b t bình thư ng i v i ánh sáng lan truy n Suy hao s i b u n cong Suy hao vi cong: Khi s i quang ch u nh ng l c nén khơng ng nh t tr c c a s i quang b u n cong i m t lư ng nh làm tăng suy hao c a s i quang S suy hao xu t hi n tia sáng b l ch tr c i i qua nh ng ch u n cong ó Suy hao u n cong: Khi s i b u n cong bán kính u n cong nh suy hao tăng ( H1.7) V Méo TH ng d n sóng quang Khi truy n TH s i quang, s b suy hao méo hai i u khó tránh kh i Méo TH tác ng c a tán s c mode tr gi a mode THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Có th hi u tán s c mode s giãn xung xu t hi n m t mode v n t c nhóm bi u hàm c a bư c sóng λ Vì tán s c mode ph thu c vào bư c sóng nên tác ng c a tăng theo Y u t khác làm tăng r ng ph c a ngu n sáng giãn xung tr gi a mode m i mode có giá tr v n t c nhóm khác nhau, t i m t t n s Khái ni m “V n t c nhóm ” t c truy n lư ng c a mode s i Hình 1.8 : Quá trình giãn suy gi m xung lân c n truy n s i a) Hai xung ban u tách r i b) Hai xung ch ng lên không tách c c) Các xung ch ng lên khó tách c d) Các xung ch ng lên r t nhi u không tách c VI Tán x s i quang Hi n tư ng, nguyên nhân nh hư ng Khi truy n d n TH digital qua s i quang, xu t hi n hi n tư ng dãn r ng xung ánh sáng u thu, th m chí m t s trư ng h p xung lân c n è lên nhau, ó khơng phân bi t c xung c g i hi n tư ng tán x Nguyên nhân c a hi n tư ng nh hư ng c a s i quang mà t n t i th i gian ch y khác cho thành ph n ánh sáng phát i ng th i Tán x có nh hư ng t i ch t lư ng truy n d n, c th : - Khi truy n TH digital mi n th i gian gây s dãn r ng xung ánh sáng - Khi truy n TH analog tư ng d ch pha u thu biên TH b gi m nh có hi n r ng băng truy n d n c a s i ó b gi i h n Hình 1.10: nh hư ng c a tán x lên TH digital (a) analog (b) S ch TH phát, E ch TH thu Tán x ch y u t p trung nh ng lo i sau: - Tán x v t li u - Tán x mode cịn g i tán x a mode THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN - Tán x m t c t - Tán x s i d n sóng Hi n tư ng tán x v t li u Theo hình v 2.5 chi t su t c a v t li u thu tinh ch t o s i bi n i theo bư c sóng c a TH ánh sáng lan truy n, t c n = n(λ) N u ngu n b c x quang phát sóng ánh sáng v i nh t m t bư c sóng λ0 khơng có hi n tư ng l ch th i gian truy n d n gi a thành ph n xung c a ánh sáng theo v = = c = const chúng s lan truy n v i v n t c v n1 c = const n(λ0 ) Th ngu n phát quang diode phát quang LED hay diode lazer không ph i ch b c x m t v ch ph ng v i bư c sóng λ0 mà chúng b c x m t d i ph ∆λ quanh bư c sóng λ0 m c biên 0,5 hình v 2.5 Hình 2.5: Ph b c x c a LED LD Hi n tư ng tán x mode Nguyên nhân thành ph n ánh sáng lan truy n nh mode riêng r v i th i gian khác nhau, nên có s chênh l ch v th i gian, sinh méo xung Hi n tư ng ch xu t hi n s i a mode ánh sáng truy n s i SI lan truy n dư i nhi u tia ch y theo ng dicd c khác v i dài khác nhau, ó tia song song v i tr c quang có dài ng n nh t Vì chi t su t n1 c a thu tinh ch t o ru t không thay i, nên v n t c lan truy n c a tia sóng thành ph n Vì v y th i gian c n thi t lan truy n tia r t khác Các tia n u cu i s i không m t lúc mà có s chênh l ch th i gian, gây dãn xung Th i gian chênh l ch gi a tia sáng nhanh nh t ch m nh t là: ∆t = L ( n1 − n2 ) C ánh sáng lan truy n s i GI lan truy n theo ng cong hình sin nh ng tia g n tr c quang ng i ng n chi t su t c a ru t s i ph n THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN g n tâm s i l n, nên v n t c lan truy n v = c nh Các tia n g n sát m t phân cách v ru t có ng i dài song chi t su t c a ru t l i nh nên có v n t c lan truy n l n Như v y th i gian truy n lan c a tia tương hơn, tia i i u n cu i s i không l ch nhi u l m Th i gian l ch gi a tia sóng nhanh nh t ch m nh t : ∆t = 1 (n1 − n2 ) C Hi n tư ng tán x m t c t Trong trình nghiên c u giá tr chi t su t có bi n thiên theo bư c sóng, ngư i ta u coi l ch chi t su t tương i không ph thu c vào bư c sóng λ Th xem xét k th y r ng chi t su t n1 n2 c a ru t v bi n thiên theo bư c sóng khơng m t m c thay nhau, nên giá tr i theo bư c sóng gây nên hi n tư ng tán x ph g i tán x m t c t c trưng qua tham s tán x P: p= Trong ó: n0 chi t su t n0 λ d∆ nn ∆ dλ tâm ru t nn chi t su t nhóm Hình 2.6: S ph thu c c a tham s tán x m t c t bư c sóng Tán s c d n sóng Tán s c d n sóng s i ơn mode ch gi c kho ng 80% lư ng lõi, v y cịn 20% sáng truy n v nhanh lư ng lõi Tán s c d n sóng ph thu c vào thi t k s i h ng s lan truy n mode S m t hàm s c a ánh sáng, thư ng c b qua s i a mode c n c quan tâm s i ơn mode VII Thi t b tr m d n cu i quang Thi t b tr m d n cu i giao ti p v i thi t b ghép kênh s i d n quang Hư ng phát: Ti p nh n TH i n t thi t b ghép kênh ưa n i TH sang d ng mà thích h p v i ng dây quang cho TH i n kích thích ngu n quang phát TH quang THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hư ng thu: Tín hi u quang c chuy n thành TH i n Sau c K , ph c h i, TH i n c chuy n sang d ng mã thích h p v i thi t b ghép kênh Ngoài thi t b u cu i có b ph n giám sát kh i truy n kênh nghi p v Ch c c a kh i c mô t sau: a) Hư ng phát: - S a d ng: TH i n t thi t b ghép kênh ưa n c K , san b ng s a d ng xung - i mã B/U (Bipolar / Unipolar - Nh c c/ ơn c c) Mô truy n d n c a TH i n thư ng mã nh c c, có tr ng thái +V,O -V, không phù h p v i ng truy n d n quang lo i ch truy n tr ng thái sáng t i Do ó kh i i mã chuy n TH mã nh c c sang mã ơn c c Mã nh c c thư ng dùng mã HDB3 mã ơn c c mã NRZ - Ng u nhiên hóa ( SCR : Scrambler): Có tác d ng tr n chu i xung m t cách ng u nhiên theo m t quy nh nh t nh tránh s l p l i c a m t chu i dài bit gi ng nhau, s xáo tr n nh m làm cho s phân ph c a TH c n truy n ng u - Mã hóa (coder): L i m t l n n a chu i xung c i sang d ng mã thích h p v i ng truy n d n quang Lo i mã có tác d ng lo i tr s xu t hi n nhóm bit ch a nhi u bit “ ” ho c “0 ” liên ti p ch a m t s nhóm bit phát hi n l i Lo i mà thư ng dùng truy n d n quang mã SBGB - Mã kích thích (Driver): T ng h p dịng i n phân c c chu i xung tín hi u kích thích ngu n quang - Ngu n quang: Linh ki n phát thư ng lazer Công su t phát c a lazer c m ch, i u n công su t (APC: Automatic Power Control) thăm dò i u ch nh dòng phân c c nh m gi cho công su t phát c n nh b) Hư ng thu: - M ch thu quang: Bi n i TH quang sang TH i n nh diot thu quang (Photo diode) Diode thu quang có th PIN ho c APD THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN VIII So sánh lo i s i d n quang T lo i s i c tính v m t truy n d n, tán x tiêu hao có th so sánh ánh giá kh c a chúng S i a mode SI truy n d n r t nhi u mode, có tán x mode tán x v t li u l n Ch c s d ng cho h th ng truy n d n t c bé c li r t ng n S i a mode GI: Tán x mode nh Tán x v t li u b ng Khi s d ng diode lazer có λ = 1,304µm r ng ph b c x mode l n S i có th cs d ng h th ng truy n d n ng dài, dung lư ng l n S i ơn mode khơng có tán x mode Tán x ch y u tán x v t li u tán x s i d n sóng, bư c sóng 1µm s i công tác ch ơn mode, t c vùng c a s truy n d n th th v i tán x tiêu hao u r t bé bư c sóng 1,55µm, có tiêu hao nh nh t xu hư ng ch t o s i có tán x d ch chuy n có tán x b ng khơng d n hi n 1,55µm r t c ý cho h th ng truy n i Trong h th ng truy n d n t c hi n ch s d ng s i ơn mode d ch chuy n n l n, kho ng cách xa xu hư ng bư c sóng 1,3µm ho c s i có tán x bư c sóng 1,55µm Khi s d ng lazer phát ơn mode nh hư ng c a tán x r t bé s phát huy t i a ưu i m cu s i ơn mode Trong m ch thu quang có m ch ti n khuy ch - Kh i K : Tín hi u thu c K ch nh c gi cho m c TH ng i ch y u kh i u TH vào thay K i u i M ch i u ch nh K (Automatic Gain Control) th c hi n ch c - M ch ph c h i (Regenerator): Qua ng truy n, vi c biên b suy gi m suy hao c a s i quang, d ng c a TH b méo c a s i quang M ch ph c h i có tác d ng khơi ph c l i d ng xung TH tán s c nh th i gian nh p c a xung - Gi i mã (Decoder): Chuy n t d ng mã GB v d ng mã SB theo quy t c ã c mã hoá u phát Kh i gi i mã phát hi n lõi, hi n c nh báo b giám sát m lõi th c THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN - Gi i ng u nhiên (Descramber): Tr n TH theo quy lu t ngư c l i trình ng u nhiên hóa truy n u phát i mã U/B (Unipolar/ Bipolar): i mã ơn c c sang mã nh c c n thi t b ghép kênh Tín hi u nghi p v c chuy n sang d ng s r i ưa vào m ch kích thích v i u ch biên TH quang c a lu ng hư ng thu tín hi u nghi p c tách t kh i K CHƯƠNG II: THÔNG TIN QUANG I C u trúc thành ph n n truy n d n quang Các thành ph n c a n truy n d n cáp s i quang g m ph n phát quang, cáp s i quang ph n thu quang Ph n phát quang c c u t o t ngu n phát tín hi u quang m ch i n i u n liên k t v i Cáp s i quang g m có s i d n quang l p v b c xung quanh b o v kh i tác ng có h i c a môi trư ng Ph n thu quang b tách sóng quang m ch khuy ch i, tái t o tín hi u h p thành Ngồi thành ph n ch y u này, n thơng tin quang cịn có b n i quang- conector, m i hàn, b chia quang tr m l p t t c t o nên m t truy n thơng tin hồn ch nh Ngu n phát quang thi t b phát có th s d ng diode phát quang LED ho c lazer bán d n LD C hai lo i ngu n phát quang h th ng thông tin quang v i TH quang v i s thay u phù h p cho u có tham s bi n i c a dòng i u bi n TH i n i tương ng u vào thi t b phát quang d ng s ho c có d ng tương t thi t b phát s có nhi m v bi n TH thành TH quang II H th ng phát TH quang i THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Sơ kh i Ps: Cơng su t phát t ngu n quang AT: Suy hao ghép ngu n vào s i quang PT: Là công su t u truy n ánh sáng vào s i quang( Trên o n n i t u s i quang vào ngu n quang) Tín hi u vào máy phát dây xung lư ng c c có t c Vs ó B bi n mã chuy n dây xung lư ng c c thành dây xung ơn c c t c l n Vs phù h p v i thông s c a mơi trư ng u thư ng c tính c a ngu n quang Xung ơn c c ưa vào b kích thích i u n cư ng c TH i u ch quang c a ngu n quang ( ngu n quang thư ng dùng diode phát quang LED hay lazer diode LD) Công su t phát quang sau ã c i u ch truy n n máy thu c a tr m c phóng vào s i quang i phương Các m ch phát b n a) M ch phát tín hi u analog b) M ch phát tín hi u digital Trên hình v a) cơng su t phát c a ngu n Ps N u suy hao ghép ngu n s i AT công su t phát (công su t u o n s i n i v i ngu n) Pt c tính Pt (dBm) - Ps(dBm)- At(db) suy hao ghép: AT = 10log Pt Ps bù l i c tính phi n c a ngu n c n m c thêm m ng ph i h p diode Như v y s gi m c méo sóng hài c a TH analog Trong trư ng h p tín hi u có t n s cao MHz s d ng b khuy ch i RF kho ng 50Ω ngu n dịng n tính có t c cao có m ch ph i h p tr kháng v i ngu n Vì trasitor có t c t c chuy n m ch th p nên sơ th p 10Mb/s Khi tín hi u có t c chuy n i n áp vào thành ch dùng tín hi u có cao c n trang b thêm m ch tăng t c Hình 2.5: Máy phát dùng lazer diode a) Cho tín hi u analog b) Cho tín hi u digital THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Vì LD có áp ng nhanh nên có th s d ng tín hi u vào GHz Trong c hai sơ m ch tách quang u có b ph n n i u n dòng nh to nhi t nh thiên nhi t thay t t i vài c a LD i III H th ng thu tín hi u quang Nguyên lý công tác ánh sáng s i quang c chi u vào diode tách quang tách tín hi u ánh sáng thành tín hi u i n Diode tách quang thư ng dùng diode PIN hay diode thác APD Tín hi u thu c sau tách quang dây xung ơn c c, tín hi u i n c ưa vào b khuy ch Tín hi u T p c c ng h ho t i Trong b K có m ch cân b ng t o t s i khơng có giao thoa gi a ký hi u c tách t lu ng xung ơn c c, c s d ng i u n ng c a b gi i mã kh i khác Sau c gi i mã, tín hi u nh n c kh i máy thu có t c Vo = Vs ( t c d ng xung mã ưa vào nhánh phát quang) B l c ây gi i h n băng t n b thu, làm gi m t i thi u t p âm phát t b tách sóng khuy ch i Các m ch ti n K thư ng c thi t k v i m c tiêu cho t l tín hi u t p âm l n nh t v i m c nhi u b n thân nh nh t Các m ch ti n K phân thành ba lo i có b thu thơng tin quang s i có th c ó lo i h tr kháng th p, lo i tr kháng cao h d n ngư c Nhìn chung, c tính b thu quang c ánh giá theo lư ng công su t quang c yêu c u t c t l l i bit ã cho trư c tính c a b tách sóng quang k t h p v i m ch ti n K nh y thu cu b thu quang nh y thu, t c là y u t xác c nh THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN CHƯƠNG III LAZER VÀ CÁC PH N T QUANG I N, I N QUANG I LAZER Cơ s lý thuy t v lazer Vào năm 1900, nhà bác h c ngư i c Planck ã phát minh thuy t lư ng t ánh sáng H c thuy t c phát bi u: Nh ng nguyên t hay phân t v t ch t không h p th hay b c x ánh sáng m t cách liên t c mà thành t ng ph n riêng bi t m t lư ng hồn tồn xác nh có t qng M i ph n ó mang l n ε = hf Trong ó: f - T n s ánh sáng mà phát h - H ng s Planck (h = 6,625.10-34JS) M i lư ng t ánh sáng r t nh , m i chùm sáng dù y u ch a m t s r t l n lư ng t ánh sáng Do ó ta có c m giác chùm ánh sáng liên t c Khi ánh sáng c truy n i, lư ng t ánh sáng không b thay i, không ph thu c vào kho ng cách t i ngu n sáng Năm 1905, nhà bác h c vĩ i Einstein ã v n d ng thuy t lư ng t sáng, ông cho chùm sáng m t chùm h t g i m i h t sáng m t photonm i photon ng v i m t lư ng t ánh sáng Như v y ta có th coi photon h t Tuy nhiên chúng có tính ch t sóng lư ng photon t l ngh ch v i bư c sóng, i u bi u th rõ ràng qua thí nghi m giao thoa ánh sáng Tương tác gi a ánh sáng nguyên t Quang ph phát x h p th c a nguyên t phân t quang ph v ch Gi s Em En hai m c lư ng c a nguyên t ho c phân t Gi n lư ng c th hi n hình 4.1, 4.2 Theo nh lu t b o tồn lư ng lư ng c a photon ph i b ng hi u lư ng gi a m c cao m c th p Em - En = hfmn →fmn = Em - En h THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN λmn = f c mn h.c = E -E m n Hình 4.1: Quá trình b c x photon Hình 4.2: Quá trình h p th photon Quá trình b c x photon q trình ngun t tr ng thái kích thích có m c lư ng l n tr ng thái n n ( tr ng thái lư ng th p nh t) s có khuynh hư ng t nhiên tr v tr ng thái n n Trong q trình ó, lư ng chênh l ch lư ng m t photon phát Quá trình h p th photon trình ngư c l i T c photon có m c lư ng b ng nguyên t chênh l ch gi a hai m c c a chuy n ti p va ch m v i tr ng thái lư ng th p Khi ó photon s b h p th nguyên t s b kích thích lên tr ng thái có m c lư ng cao Hình 4.3: Phát x t kích Phát x t kích óng vai trị quan tr ng trình K quang h c K quang h c bư c t o tia lazer Hi n tư ng phát x t kích k t qu c a vi c nguyên t b kích thích b i quang h c t i nh y t tr ng thái lư ng cao xu ng tr ng thái lư ng th p phát m t photon có lư ng thích h p M t c i m h t s c quan tr ng c a photon b i hi n tư ng phát x kích thích chúng có phân c c pha hư ng Hơn n a photon kích thích s b kích thích t i tr ng thái c a photon n Hi n tư ng s cho vi c K quang h c hi n tư ng lazer nh nghĩa lazer: Lazer m t c u trúc quang h c hay máy phát quang h c dùng phát K ánh sáng nhìn th y c, ánh sáng b c x c m ng phát sinh ánh sáng có liên k t v pha ( ) ơn s c C u trúc c a lazer Lazer thông thư ng c c u t o b ng ba l p hình 2.16 Dao lazer x y ng c a vùng k p gi a c a tinh th bán d n “P ” “N” g i l p ho t THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN ch t, vùng óng vai trị m t vùng c ng hư ng Khi có m t dịng bơm t phía (+) t i phía (-) theo hình v ánh sáng c phát theo hư ng mũi tên Hình 2.16: C u trúc c a Lazer lazer ho t ng c c n ph i th a mãn i u ki n sau: - S chênh l ch m c lư ng gi a vùng d n c a ch t bán d n lo i P vùng d n l p ho t ch t ph i cao - S chênh l ch gi a vùng d n vùng hoá tr c a bán d n lo i P ph i l n - i v i bán d n lo i N chuy n ti p, m c lư ng vùng hoá tr ph i nh t i vùng ho t ch t * Ho t ng: Khi có dịng i n ch y qua t l p P t i l p N c a ch t bán d n mà l p chuy n ti p th a mãn i u ki n ôi vùng “N” chuy n chuy n c p i n t ng v phía vùng P l tr ng vùng “P” ng v phía vùng N Như v y i n t l tr ng có m t l p ho t ch t Các i n t l tr ng c bơm vào l p ho t ch t b giam l p b i hàng rào lư ng, nh hàng rào mà d dàng t o c tr ng thái ol nm t làm tăng cư ng phát x Các diode lazer ơn mode xây d ng h th ng thông tin quang m ng vi n thơng có t c cao c ly truy n d n xa ta c n ph i s d ng lo i diode lazer có r ng ph r t h p, ó lazer ơn mode Các lazer ch ch a mode d c mode ngang ơn t o lazer ch có m t mode d c ph i gi m c dài L c a h c phát tia lazer t i mà kho ng cách t n s ∆f c a mode l n r ng ph c a lazer ∆f = c Ln ∆f: Kho ng cách t n s c a mode L: Chi u dài s i II CÁC PHÂN T Bi n QUANG I N I N QUANG i i n quang THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN a) Cơ ch phát x ánh sáng b bi n Gi s r ng có m t i n t i n t ang n m i i n quang m c lư ng th p khơng có tr ng thái m c lư ng cao hình 2.13 i u ki n n u có m t lư ng b ng m c lư ng chênh l ch gi a m c (E2 - E1 tương ng v i hai m c chênh l ch) c p cho i n t i n t s nh y lên m c E2 hình 2.13b sau h p th lư ng i n t r i kh i m c E2 s b h t nhân nguyên t thái n hút quay tr v tr ng nh hình 2.13a Khi quay tr v tr ng thái n nh E1, m t lư ng úng b ng E2 - E1 c gi i phóng hình 2.13c Khi ánh sáng có lư ng tương ương b ng (E2 - E1) tr ng thái kích thích hình 2.13b, i n t t p vào m t i n tr ng thái E2 theo xu hư ng s chuy n r i v tr ng thái lư ng E1 b cư ng b c tr v tr ng thái E1, sau h p th lư ng sáng p vào hình v 2.13d b) Ti p giáp Pn: Khi t o ti p giáp Pn, h t mang a s s khuy ch i qua nó, làm cho i n t l p vào l tr ng bên phía P c a ti p giáp sinh l tr ng bên phía n i u làm xu t hi n m t trư ng i n Trư ng ngăn c n s chuy n t ngang qua ti p giáp ng c a i n tích s chuy n ng c a i n tích s cân b ng c thi t l p Do i n t l tr ng t o thành c u trúc liên k t ng hố tr , vùng ti p giáp khơng có h t mang di ng Vùng g i vùng nghèo Hình 2.17 Khi c p m t i n áp cho ti p giáp này, c c dương ngu n n i t i v t li u n, c c âm n i t i v t li u P ti p giáp c g i phân c c ngư c Khi ti p giáp Pn c phân c c thu n i n t vùng d n phía n l tr ng vùng hố tr phía P l i c phép khuy ch tán qua ti p giáp Hình 2.17: a) Ti p giáp Pn b) Phân c c ngư c c)Phân c c thu n c) Ngu n quang: Nguyên lý chung: Có hai lo i linh ki n c dùng làm ngu n quang hi n - Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode) THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN - Diode lazer hay LD ( Lazer Diode) C hai linh ki n u phát tri n t diode bán d n, t c t ti p giáp c a bán d n lo i P lo i N M i ch t bán d n có b r ng lư ng Eg khác c xác nh: E g = hf = h c λ → λ= hc 1,24 = Eg Eg (ev) Trong ó: h = 6,6625.10-34 Js h ng s Planck c = 3.108m/s v n t c ánh sáng chân không Eg : B r ng khe lư ng (ev) f : T n s ánh sáng phát (Hz) λ : Bư c sóng sáng phát (µm) V y t cơng th c ta th y mu n ngu n quang phát sáng có bư c sóng dài ph i dùng ch t bán d n có b r ng khe lư ng h p Ví d : - Bán d n Gallium Ansenide (GaAs) có Eg = 1,43 ev → λ = 1,24 = 1,43 0,89 µm C u trúc c a LED: C u trúc c a LED có d ng ti p giáp d th i v i lazer Các i n t ch y qua l p chuy n ti p P - N tái h p v i l tr ng gi ng i v i lazer t i vùng ho t ch t, sáng phát t l p có hàng rào ti p giáp d th Tuy nhiên i v i LED c u trúc c a khơng cho phép khuy ch ánh sáng vùng ho t ch t i dao ng i v i lazer, v y ánh sáng c t o nơi cách xa b m t khơng th kh i b m t d dàng Chính i u nên ánh sáng LED thư ng phát t m t phía i n c c (Hình 2.19a) Hình 2.19: C u trúc c a LED (lo i phát x m t) vùng lư ng LED có hai lo i c u trúc c s d ng c u trúc phát m t (LED phát m t) c u trúc phát c nh (LED phát c nh) i v i c u trúc phát m t m t ph ng c a vùng phát ánh sáng vng góc v i tr c c a s i d n quang Còn LED phát c nh có c u trúc g m m t vùng ti p giáp tích c c có vai trị ngu n phát sáng THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN khơng k t h p hai l p d n C hai l p d n u có chi t su t th p ch s chi t su t c a vùng tích c c l i cao ch s chi t su t c a v t li u bao quanh Bi n i quang i n a) Cơ ch thu quang: Trong linh ki n thu quang l p chuy n ti p P -N c s d ng tách i n t kh i l tr ng t o nên s chuy n vùng N l tr ng Khi ánh sáng chi u vùng P v phía i n tích (+) (-) n trình lan truy n p vào vùng P tr ng thái s b h p thu n vùng N Trong q trình ó i n t l tr ng ã c t o t i vùng nghèo h p th s hư ng ng c a i n t i ngư c dư i tác Vì khơng có i n trư ng c chuy n ng v hai ng c a i n trư ng mi n bên vùng nghèo nên i n t l tr ng c t o hi u ng i n quang s b tái h p trình chuy n ng c a chúng Tuy nhiên có m t vài i n t l tr ng may m n chuy n ng vào i n trư ng q trình chuy n ng có kh thâm nh p vào m i vùng Do v y, có m t hi u i n th s c t o có th t l thu n v i t ng s i n t l tr ng c tách gi a mi n P N N u hai u c a mi n ó c n i v i m t m ch i n ngồi i n t l tr ng có th tái h p t i m ch này, nói cách khác có dòng i n ch y qua Dòng sinh t i vùng nghèo g i dịng trơi, dịng sinh g i dòng khuy ch tán ây nguyên t c bi n vùng xa i i n quang b) C u trúc c a linh ki n thu quang: Các linh ki n thu quang c chia thành hai lo i ph thu c vào i n th c p m ch Photo diode (PDs) photo diode thác (APDs) Hình 2: C u t o c a diode quang PIN (a) phân b d i lư ng (b) C u t o c a diode PIN bao g m l p d n t t, N+ i (intrinsic) r i ó ph m t l p t d n n m t l p m ng P+ Trên m t l p P i n c c i n c c vòng Nguyên lý ho t ng c a diode PIN: THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Khi ánh sáng vào mi n P, trư ng h p lý tư ng m i photon s sinh mi n P, i ho c n m t c p i n t l tr ng Các i n t l tr ng mi n i c sinh s c i n trư ng m nh hút v hai phía, i n t v mi n N, l tr ng v mi n P Các i n t m i sinh mi n P+ khuy ch tán sang mi n i nh Gradien: m t s t i ti p giáp ch y v mi n N+ nh giáp n P+ -i s c a ph n t mang i n thi u i n trư ng Tương t l tr ng sinh mi n N+ Có m t s i n t l tr ng khơng tham gia vào q trình t o dịng i n ngồi, chúng xu t hi n mi n P+ N+ l p ti p xúc P+ - I, I - N+, không c khuy ch tán vào mi n i xa iv i xa hai kho ng cách dài khuy ch tán c a ph n t thi u s ó l i tái h p v i mi n P+ N+ Photo diode thác(APDs) APDs s d ng tính ch t nhân thác i n t l tr ng ch t bán d n thu c dòng l n so v i lo i PDs V c u trúc b n gi ng diode PIN ch t bán d n lo i P( Ký hi u P+) có m t l tr ng cao m t vùng bán d n P c a chuy n ti p PN Trong APD l p i c thay th b ng l p bán d n P y u (Sp) Bên trái Sp b gi i h n b i l p P+, bên ph i b gi i h n b i l p ti p giáp P - N+ Nguyên lý ho t ng c a APD b n gi ng PIN Nhưng i n t mi n Sp d ch chuy n ây n mi n thác P - N+ có th nh n thêm lư ng tĩnh c a d i c m, i n trư ng m nh nên chúng c tăng t c, va ch m v i nguyên t t o ph n t mang i n m i g i ion hóa va ch m, ó s lư ng phân t mang i n tăng lên r t nhanh So sánh diode quang: Hai lo i diode quang PIN APD có nhi u ưu i m c i m trái ngư c C hai lo i u c phân c c ngư c khơng có ánh sáng ch có m t dịng t i r t nh Khi có sáng vào dịng tăng n tính v i dịng ánh sáng cơng su t b c x Dòng gây t i m t i n áp vào K cho tín hi u ngun thu U(t) ưa THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Diode PIN có t p âm n i nh , song khơng có kh K ó dịng i n, nh y khơng nâng cao c Ngư c l i diode APD có kh K i n, nên dòng nh y tăng lên Các diode PIN có h n ch ch ho t ng v i t c n vài ba trăm MBit/s, cịn diode APD có th ho t Bit không l n l m, ng v i t c bit t i b ng GBit/s Diode PIN c n i n áp cung c p nh , ngư c l i APD c n i n áp cung c p l n t i hàng trăm vôn nhi t ng th i, c tính làm vi c c a ph thu c nhi u ó c n s d ng ngu n áp i u ch nh c nhi t bù l i c i m H s K dòng i n c a APD ph thu c r t l n vào nhi t i n áp công tác chi phí cho ngu n i n áp cao n nh nhi t t n Do ó diode PIN APD c l a ch n s d ng H th ng thông tin quang - Thi t k n cáp quang Hà N i - H i Phòng (tl; 3) M CL C L IM U CHƯƠNG I: T NG QUAN V CÁP QUANG I C u t o s i quang: II Phân lo i s i quang Các lo i s i a mode ơn mode V t li u ch t o c tính h c c a s i d n quang III Nguyên lý lan truy n ánh sáng s i quang Các c i m c a ánh sáng Quá trình ưa ánh sáng vào s i quang Ánh sáng truy n qua s i quang a mode b c Ánh sáng truy n qua s i quang ơn mode IV Suy hao s i quang Suy hao h p th Suy hao tán x : Còn g i suy hao tán x Rayleigh Suy hao s i b u n cong V Méo TH ng d n sóng quang VI Tán x s i quang Hi n tư ng, nguyên nhân nh hư ng Hi n tư ng tán x v t li u Hi n tư ng tán x mode THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hi n tư ng tán x m t c t Tán s c d n sóng VII Thi t b tr m d n cu i quang VIII So sánh lo i s i d n quang CHƯƠNG II: THÔNG TIN QUANG I C u trúc thành ph n n truy n d n quang II H th ng phát TH quang Sơ kh i Các m ch phát b n III H th ng thu tín hi u quang CHƯƠNG III: LAZER VÀ CÁC PH N T QUANG I N, I N QUANG I LAZER Cơ s lý thuy t v lazer Tương tác gi a ánh sáng nguyên t C u trúc c a lazer Các diode lazer ơn mode II CÁC PHÂN T QUANG I N I N QUANG Bi n i i n quang Bi n i quang i n ... a ch n s d ng H th ng thông tin quang - Thi t k n cáp quang Hà N i - H i Phòng (tl; 3) M CL C L IM U CHƯƠNG I: T NG QUAN V CÁP QUANG I C u t o s i quang: II Phân lo i s i quang Các lo i s i a... TỬ TRỰC TUYẾN ã ch n tài “H th ng thông tin quang - Thi t k n cáp quang Hà N i - H i Phòng? ?? Sau th i gian nghiên c u em vi t báo cáo th c t p úc k t l i nh ng ã hi u c v TH thơng tin quang, m... trư ng Ph n thu quang b tách sóng quang m ch khuy ch i, tái t o tín hi u h p thành Ngoài thành ph n ch y u này, n thơng tin quang cịn có b n i quang- conector, m i hàn, b chia quang tr m l p t