Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc

COMMUNICATION

Nguồn bản tin

Máy phát

Kênh truyền

Nơi nhận bản tin

Máy thu

Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin

Component Optical Fiber

http://www.miragesofttech.com/ofc. htm

Material： (fused silica SiO2) Structure: concentric arrangement of core and cladding Transmission: total reflection of light at the boundary between core and cladding

MESSAGE BANDWIDTH

Phổ điện từ của thống hệ các thông tin

10 MHz

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*1014 Hz  nguồn Laser có dung lượng thông tin lớn hơn các hệ thống viba 105 lần (10 triệu kênh TV.)

* 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.

* Cách điện tốt. * Chống nhiễu tốt.

* Nguyên liệu thô sẵn có. * Bảo mật.

Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang

CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN

DẪN SỢI 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 chính của một tuyến thông tin quang

Cáp sợi quang có thể được lắp trong trên cột, ống đặt hay ngầm dưới biển

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

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

Suy hao sợi theo bước sóng

Operating range of 4 key components in the 3 different optical windows

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

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

0(m)

Độ tán sắc (ps/ km-nm)

0.87

Độ suy giảm (dB/ km) 1.5

-80

1.312

0.3

 Một thiết kế đạt tiêu chuẩn đã sử dụng các ống mode đơn graded – index để nhằm đạt được sự tán sắc trong ống dẫn sóng cân bằng bằng vật liệu tán sắc vì thế hầu như hiệu suất tán sắc ở 1.55 m bị loại trừ hơn ở 1.312 m .

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.  Nguồn ở 0.87 m.

Diode phát quang AlGaAs và diode laser

AlGaAs/GaAs

 Nguồn ở 1.3 và 1.55 m.

Diode phát quang InGaAsP

Các đầu thu quang học

 Đầu thu ở 0.87 m.

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

 Đầu thu ở 1.3 và 1.55 m.

sóng này.

– 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

Sợi quang

Nguồn

Detector

0(m)

0.87

Đa mode step-index

LED AlGaAs Laser InGaAsP

p–i–n APD

1.3

Đa mode graded-index

1.55

Đơn mode

InGaA s

Hệ thống 1: sợi đa mode ở 0.87 m.

Hệ thống 2: sợi đơn mode ở 1.33 m.

Hệ thống 3: các sợi đơn mode ở 1.55 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 cho tốc độ lỗi nhỏ. Tích số LB0: khả năng liên kết

Sơ đồ hoạt động của hệ thống digital:

Tb

Sợi quang

Xung quang

Xung điện đầu vào

Máy phát laser hoặc LED

Xung quang bị suy hao và méo mó

Bộ khuếch đại và lọc

Photo diode thác hoặc pin

Dòng xung điện có nhiễu bộ tách sóng quang

Xung điện áp và nhiễu bộ khuếch đại

Mạch quyết định và bộ tái tạo xung

Thiết bị xử lý tín hiệu

Mũi tên biểu thị tâm khe thời gian

Các xung điện áp đầu ra sau khi tái tạo

 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).

Nếu p1 là khả năng xảy ra của “1” đối với “0” và p0 là khả năng xảy ra của “0” đối với “1”

B E R





1 2

Hệ số BER có thể chấp nhận là 10-9

+ Số photon trung bình:

10photon/ bit



 Độ nhạy máy thu: 0n

để đảm bảo BER  10-9.

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

(1)

h n B

ứng với năng lượng quang học hn0/bit , ta có: 



( 1)

0 : Pr tỉ lệ với tốc độ bit B0.

 Hướng thiết kế:

 Cung cấp nhiều xung lan truyền để bổ sung vào sự tán sắc trong sợi quang. Nếu độ rộng  của xung > 1/B0, các xung lân cận phủ lên nhau gây ra sự giao thoa  tăng tốc độ lỗi.

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

 Nếu B0 được giữ cố định và tăng L  hiệu suất giảm: Công suất nhận được nhỏ hơn độ nhạy công suất máy thu Pr, hoặc  > 1/B0.

a. Hiệu suất của việc suy giảm:

 = 10 log10P ; P : mW ; : dBm Độ nhạy nhận được làr (dBm) thì: (2)  -c – m - L = r (dB) s : công suất nguồn (dBm), α : sự mất mát sợi quang (dB/km), c : mất mát do nối ghép (dB) ; L chiều dài sợi quang cực đại

(2) : hàm phụ thuộc khoảng cách.

Độ nhạy công suất của máy thu:

10log

(dBm)

  r

n h B  0 0 3 10

r = 10 log10Pr (dBm) Hay (3)

 Độ dài cực đại của liên kết thu từ (2), (3):

10log

    

 1  

 n h B 0 0  3 10 

(4)

l o g B





1 0 

Hay (5)

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.

Hình 13

b.Hiệu suất của sự tán sắc:

 tăng theo L. Khi  > T = 1/B0, 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.



 

T 4

1 4B

(6)

+ Sợi cáp quang Step – index:



 

L 2 c

Thế vào (6) ta có :

L B



(7)

c 1 2  c1 = c0/n1: vận tốc A/S nguyên liệu của lõi.  = (n1 – n2)/n1: sai số tương đối. n1 = 1,46 và  = 0,01 ta có LB0  10 km – Mb/s.







+Sợi quang Graded – Index:

(6) ta có:

L B



1 2

L 4 c c 

(8)

n1 = 1.46 và  = 0.01 ta có LB0  2km-Gb/s





  

L B



+Sợi quang đơn Mode:Độ rộng vạch là , độ rộng xung cho bởi:



D 1 4 D 



(9)

D: hệ số tán sắc của vật liệu cáp quang 0 = 1.3m, D 1 ps/km-nm,  = 1 nm thì LB0  250 km-Gb/s; 0 = 1.55m, D = 17 ps/km-nm ,  = 1nm: LB0  15km-Gb/s.

Hình 15: Quan hệ giữa L vơí B0

2. Hệ thống truyền thông analog:

- Sử dụng điều biến cường độ biểu diễn ở H16. Tín 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.

Hình 16

- 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.

+Bề rộng sợi dẫn f =  /2 lớn hơn B.

SN R



h  2 B

- Độ nhạy là công suất quang nhỏ nhất cho phép tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR của dòng photon vượt quá giá trị qui định SNR0. Một máy thu lý tưởng: (10)

B: Độ rộng vùng của máy thu.

Pr = hn0(2B)

- Neáu SNR0 laø giaù trò nhoû nhaát cho pheùp coù tín hieäu treân taïp aâm  ñoä nhaïy maùy thu trôû thaønh n0 = SNR0 photon treân thôøi gian hoài ñaùp vaø coâng suaát töông öùng laø (11)

So sánh giữa (1) và (11) : mối quan hệ giữa LB0 trong hệ thống digital được xác định trong hệ thống analog nếu thay B0 bằng 2B.  SNR0 = 10

Ví dụ : sợi quang dài 1km truyền với dữ liệu digital có tốc độ 2Gb/s và BER không vượt quá 10-9 cũng có 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.