Bài giảng Kỹ thuật thông tin quang: Chương 1 - Học viện CN Bưu chính Viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications

ộ

Q

g

g

g

Giảng viên: Bộ môn: Email:

Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Trang 2 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

Lịch sử phát triển • Lịch sử phát triển • Mô hình chung của hệ thống TTQ • Một số vấn đề về quang vật lý trong TTQ • Một số vấn đề về quang vật lý trong TTQ

Trang 3 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Lịch Sử Phát Triển

• 1790: Claude Chappe (Pháp)

(cid:131) Điện báo quang (cid:131) 200km trong vòng 15 phút • 1870: John Tyndall (Anh)

ể ẫ

(cid:131) Chứng minh ánh sáng có thể dẫn theo vòi nước bị uốn

cong

(cid:198)Địnhluậtphảnxạtoànphần (cid:198)Địnhluậtphảnxạtoànphần

• 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ) Photophone: không thành công (cid:131) Photophone: không thành công (cid:198)Cần phải có một môi trường dẫn ánh sáng thích hợp

Trang 4 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Lịch Sử Phát Triển

• 1934: Norman R.French (Mỹ)

à Ch l H T

l

• 1958: A. Schawlow và Charles H.Townes (Mỹ) (Mỹ)

(cid:131) Nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang (cid:131) Dùng thanh thủy tinh để truyền ánh sáng (cid:198)Môi trường truyền ánh sáng thích hợp 1958 A S h (cid:131) Xây dựng và phát triển laser (cid:131) Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, quân sự … (cid:131) Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học quân sự (cid:198)Nguồnquangdùngtrongthôngtin quang

• 1966: Charles H.Kao và George A. Hockham (Mỹ) • 1966: Charles H Kao và George A Hockham (Mỹ)

(cid:131) Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng Suy hao lớn ( > 1000dB/km) (cid:131) Suy hao lớn ( > 1000dB/km)

Trang 5 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Lịch Sử Phát Triển

• 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ)

(cid:131) Chế tạo sợi SI có suy hao < 20dB/km, tại λ=633nm (cid:198)Thông tin quang ra đời

• 1972: Sợi GI được chế tạo có suy hao 4 dB/km • 1983: Sợi đơn mode (SM) được chế tạo

(cid:198) Sợi quang SM được sử dụng phổ biến ngày nay có suy

hao ~0.2 dB/km tại λ=1550nm hao 02dB/kmtạiλ=1550nm

Trang 6 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Sơ đồ khối cơ bản, gồm có:

(cid:131) Bộ phát quang (E/O) (cid:131) Bộ thu quang (O/E) (cid:131) Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.

Trang 7 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Chức năng chính các khối

(cid:131) Khối E/O: điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang (cid:131) Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện. (cid:131) Cáp sợi quang: môi trường truyền dẫn tín hiệu quang từ

đầu phát đến đầu thu. đầu phát đến đầu thu

Trang 8 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Trạm lặp (repeater)

(cid:131) Khuếch đại tín hiệu bị suy yếu do suy hao trên sợi quang (cid:131) Trạm lặp làm việc theo nguyên lý: quang – điện – quang

(O – E – O)

để kh ế h đ i tí hiệ

ò

(cid:131) Ngoài ra, đê khuếch đại tín hiệu quang còn có thê sư ó thể ử N ài dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ khuếch đại quang làm việc trong miền quang.

Trang 9 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Nguyên tắc truyền tin:

(cid:131) Tín hiệu truyền có tần số trong miền quang. (cid:131) Có thể truyền hai hướng trên một sợi quang. Thông thường sử dụng 2 sợi quang cho một tuyến và chỉ truyền một hướng trên 1 sợi quang. truyền một hướng trên 1 sợi quang.

Trang 10 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Ưu điểm của hệ thống TTQ:

H à t à

g ự

ệ

ạ

ậ

(cid:131) Suy hao thấp (cid:131) Dải thông rộng (cid:131) Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ (cid:131) Hoàn toàn cách điện á h điệ (cid:131) Không bị can nhiễu của trường điện từ (cid:131) Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể (cid:131) Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể (cid:131) Tính bảo mật cao (cid:131) Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên

Trang 11 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ

• Nhược điểm của hệ thống TTQ: (cid:131) Vấn đề biến đổi quang điện. (cid:131) Hàn nối, đo thử sợi quang đòi hỏi thiết bị chuyên dụng

đắt tiền.

(cid:131) An toàn lao động. (cid:131) An toàn lao động

Trang 12 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Các khái niệm chung:

(cid:131) Tần số:

• Ký hiệu: f • Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second)

» Theo thời gian: T - chu kỳ (s), f = 1/T - tần số (Hz)

A

A

λ

T

z (m)

t (s)

(a)

(b)

Trang 13 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Các khái niệm chung (tt):

(cid:131) Bước sóng: • Ký hiệu: λ • Đơn vị: m

» Theo không gian: λ-bước sóng (m)

=λ

C f f

A

A

λ

T

z (m)

t (s)

( ) (a)

(b) (b)

Trang 14 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Ánh sáng có hai tính chất:

(cid:131) Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ

(cid:131) Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có

năng lượng E năng lượng E

E =

(eV)

» E = hf hay

1,24 )μmλ ( ( ) μmλ

Trang 15 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Phổ sóng điện từ:

Trang 16 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Phổ sóng điện từ (tt):

(cid:131) Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến

780nm (đỏ) 780 (đỏ)

(cid:131) Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng (cid:131) Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-1600nm) (cid:198) không thấy được

(cid:131) 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng trong thông tin quang: 850 nm, 1300 nm và 1550 nm trong thông tin quang: 850nm 1300nmvà1550nm

Trang 17 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Một số định luật quang cơ bản:

(cid:131) Chiết suất của môi trường: n = C/v

C: vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.108 m/s v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét

(cid:131) Chiết suất của một vài môi trường thông dụng: n = 1,00029 ≈ 1,0 n = 4/3 ≈1,33 1 33 4/3 n = 1,48

• Không khí: • Nước: Nướ • Thủy tinh:

Trang 18 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Một số định luật quang cơ bản (tt):

(cid:131) Ðịnh luật phản xạ ánh sáng:

• Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới • Góc phản xạ bằng góc tới (θ1

' = θ1)

Tia phản xạ

Tia tới

'

1

1

Môi trường 1

n1

Môi trường 2

n2

2 2

Tia khúc xạ

Trang 19 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Một số định luật quang cơ bản (tt):

(cid:131) Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng:

• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới. • Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:

» n1sinθ1= n2sinθ2

Tia phản xạ

Tia tới Tia tới

'

1

1

Môi trường 1

n1

Môi trường 2

n2

2

Tia khúc xạ

Trang 20 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Một số định luật quang cơ bản (tt): (cid:131) Phản xạ toàn phần (total reflection):

• Toàn bộ tia tới quay trở lại môi trường tới. • Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần:

là ó

iới h

/

i

θc là góc giới hạn; sinθc = n2 / n1

» n1 > n2 2 1 » θ1 > θc

Trang 21 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý

• Một số định luật quang cơ bản (tt):

(cid:131) Khi xảy ra hiện tượng pxtp, năng lượng ánh sáng được ề

bảo toàn theo hướng truyền bả

h ớ

h

à

» Ứng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh

sáng qua sợi quang

Trang 22 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2