Chương6: THÔNG TIN QUANG
Ệ Ố
Ủ
Ấ
Ế
1 K T C U C A H TH NG THÔNG TIN QUANG
H TH NG GHÉP KÊNH QUANG WDM
Ệ Ố
2
Ộ
Ạ
Ế
3 B KHU CH Đ I QUANG
CC HH ƯƯ ƠƠ NN GG 66
1
6.1 Sự phát triển của thông tin quang
Thông tin quang đ
c b t đ u b ng s phát minh
ượ
ắ
ự
ằ
ầ thành công c a Laser năm 1960
ủ
Năm 1966 ch t o s i quang có đ t n th t th p
ế ạ ợ
ộ ổ
ấ
ấ
Phát tri n thành công trong nh ng năm 70, đ t n th t
ể
ộ ổ
ữ ấ c gi m đ n 0.18dB/km
ế
ả
c a suy hao s i quang đã đ ợ ủ
ượ
ệ
ề
Hi n nay các h th ng thông tin quang truy n d n t ẫ ấ ứ
ệ ố ị
ệ
ẹ
ộ
t c các tín hi u d ch v băng h p, băng r ng đáp ng ụ ả yêu c u c a m ng s liên k t đa d ch v ISDN ế
ầ ủ
ụ
ạ
ố
ị
2
Ưu điểm của thông tin quang
Băng thông kh ng l
ổ
ồ ầ
đ y ti m năng ề
S i quang kích th
ợ
ướ
c nh và nh ẹ
ỏ
S cách li v đi n
ề ệ
ự
Không b nh h
ng b i nhi u và xuyên âm
ị ả
ưở
ễ
ở
B o m t thông tin: ánh sáng t
ậ
ừ ợ
ị ứ ậ
ể
s i quang b b c x ạ m t cách không đáng k nên chúng có tính b o m t tín ả hi u cao
ả ộ ệ
3
ế ạ
ề ợ
Suy hao th pấ : s phát tri n c a s i quang qua nhi u ủ ợ ể ự c k t qu trong vi c ch t o ra s i năm đã đ t đ ệ ả ạ ượ quang có đ suy hao r t th p ấ ộ
ế ấ
ệ
ầ
ặ
ớ
quang đ
Tính linh ho tạ : m c dù các l p b o v là c n thi ấ
t, s i ế ợ ả c ch t o v i s c căng cao, bán kính r t nh . ỏ
ế ạ ớ ứ
ượ
Đ tin c y c a h th ng và d b o d
ộ
ậ ủ ệ ố ủ ợ
ượ
ặ ố ộ
ễ ả ưỡ : do đ c ặ ng tính suy hao th p c a s i quang nên có th gi m đ c ể ả yêu c u s b l p trung gian ho c s b khu ch đ i trên ạ ế đ ườ
ấ ầ ố ộ ặ ng truy n. ề
Giá thành th p đ y ti m năng ấ
ủ
ầ ề c l y t ượ ấ ừ
: th y tinh cung c p cho cát, không ph i là ngu n tài ả
ấ ồ
thông tin quang đ nguyên khan hi m. ế
4
Các thành phần cơ bản của sợi quang điển hình
5
Hiện tượng phản xạ toàn phần
Hi n t ng ph n x và khúc x ánh sáng trong s i quang: ệ ượ ạ ợ ạ
2
ả 1 = n2sinf
c=n2/n1
n1 sinf sin f
6
Hiện tượng phản xạ toàn phần (tt)
ng
ệ ượ
ề
ư ậ ạ ả
Các tia sáng ph i đi t
Nh v y, đi u ki n đ x y ra hi n t ệ ầ ả
ườ
ng có chi
ể ả ph n x toàn ph n nh sau: ư môi tr ừ ườ
ơ
ng có chi ế
t ế t su t ấ
su t l n h n sang môi tr ấ ớ nh h n. ỏ ơ
i c a tia sáng ph i l n h n góc t
ớ ủ
ả ớ
ơ
i ớ
Góc t h n.ạ
7
Khẩu độ số
8
Khẩu độ số (NA) của sợi
9
Khẩu độ số (NA) của sợi
10
ưở ườ ng kính lõi đ n hi u su t ghép n i ệ ế ấ ố
Ả ủ gi a ngu n sáng và s i quang ng c a NA và đ ồ nh h ữ ợ
11
Tán sắc trong hệ thống sợi quang
ọ ự
ắ
ộ
ượ
c truy n trong ề
Minh h a s giãn r ng xung do tán s c khi ánh sáng đ s iợ .
12
Ánh sáng truyền trong các loại sợi
13
Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang t b phát quang Thi
ngu n phát tín hi u đ ế ị ệ
Cáp s i quang ợ
c c u t o t ượ ấ ạ ừ ể ệ ồ ế ớ
ng bên môi tr quang và các m ch đi n đi u khi n liên k t v i nhau. ề ớ ỏ ọ ợ ẫ ườ ộ ạ g m có các s i d n quang và l p v b c xung ồ ạ ừ ể ả ệ
quanh đ b o v kh i tác đ ng có h i t ỏ ngoài.
Thi ạ
đ ế ị
c c u t o t ượ ấ ạ ừ ộ m ch khu ch đ i, tái t o tín hi u h p thành. ạ t b thu quang ạ ế b tách sóng quang và các ợ ệ
ầ ủ ế ế
ộ
ố ạ ế ệ ạ
Ngoài các thành ph n ch y u trên, tuy n thông tin quang còn có các b ghép n i quang (connector), các m i hàn, các b ộ chia quang và tr m l p; còn có th có các b khu ch đ i quang, thi ể các tr m xen r kênh
ố các tuy n thông tin quang hi n đ i ặ ở t b bù tán s c và ế ế ị ạ ắ ộ
ẽ ạ
14
SUY HAO TÍN HI U TRÊN S I QUANG
Ợ
Ệ
15
Đặc điểm chung của LED và Laser
16
Đặc điểm chung của máy thu quang
17
nh n đ
Đặc điểm chung của máy thu quang Có nhi m v ệ
c t ậ ượ ạ ầ
ể
i đ u ra c a ủ
ổ
ụ chuy n đ i tín hi u quang tín hi u đi n ban đ u ầ ệ
vào b tách sóng quang ộ i đi u ch ph thu c vào d ng đi u ch ế ộ ế ụ
ề
ề
ạ
c th c hi n b i m ch quy t đ nh nh m phát hi n
ế ị
ằ
ệ
ự bít 1 hay bít 0 d a vào biên đ tín hi u đ n.
ệ s i quang thành ệ ợ t p trung tín hi u quang B ghép ệ ậ ộ t k c a b gi Vi c thi ế ế ủ ộ ả ệ máy phát. c a tín hi u ệ ở ủ B tách sóng đ ượ ộ ự ủ
ạ ệ ạ quy t đ nh ph thu c vào
ệ ở ộ ế ị
ế ụ
ộ
SNR -14
ầ
ợ
Tính chính xác c a m ch M t s h th ng thông tin s i quang yêu c u BER <10 Đ nh y máy thu: công su t quang trung bình nh nh t ấ
ộ ố ệ ố ộ ạ
ế ả
cho tr
ẫ ướ ứ
ỏ ấ đ n máy ườ nghĩa là tho mãn . Đ nh y ph ớ t c đ bít nh t đ nh ụ ồ
ệ c ng v i ố ộ ộ ụ
ng ấ ị ạ
ộ ạ ễ
thu sao cho máy thu v n làm vi c bình th t s BER ỉ ố thu c SNR , nghĩa là ph thu c vào các lo i ngu n nhi u khác nhau ộ tác đ ng vào máy thu
ộ
18
Các thông số cơ bản của các loại photodiode PIN
19
Các thông số cơ bản của các loại photodiode APD
20
So sánh PIN và APD Hai lo i diode quang PIN và APD đ u đ
c ạ
ề ượ phân c c ng ấ
ỉ ế ớ
ượ , c ự đ khi không có ánh sáng thì ch có dòng trôi r t nh ỏ. Khi có ể ánh sáng vào, dòng này tăng tuy n tính v i dòng ánh sáng và công su t b c x .
ấ ứ ạ Diode PIN có t p âm n i nh ạ ộ ỏ, song không có kh năng
ộ ả ạ
i ạ
ạ
i có t p âm n i l n, nên h n ch công su t thu t ệ nên không nâng cao đ nh y máy thu ộ ớ nh ng có kh ả ư ệ nên nâng cao đ nh y, song diode ộ i ế ộ ớ ấ ạ ạ ố
Các diode PIN ch ho t đ ng v i
khu ch đ i dòng đi n ế ạ ượ ạ diode APD có t p âm n i l n c l c. Ng đ ượ năng khu ch đ i dòng đi n ế ạ Ge-APD l ạ thi u cho phép. ể
ỉ
i ớ t c đ bit không l n đ n vài ố ộ ể ạ ộ ế ớ ớ t c đ bit t ố ộ ớ
ạ ộ ba trăm Mbit/s, còn APD có th ho t đ ng v i hàng Gbit/s.
c l ấ
ệ
Diode PIN c n ầ đi n áp cung c p nh ệ đi n áp cung c p l n hàng trăm volt ấ ớ APD ph thu c vào nhi áp đ đi u ch nh nhi
t đ nhi u do đó c n s d ng ngu n ượ ạ APD c n ầ ỏ, ng i , đ c tính làm vi c c a ệ ủ ặ ồ ầ ử ụ ệ ộ
ề t đ , nên chi phí tăng. ụ ể ề ệ ộ ộ ỉ
21
Phương thức ghép kênh quang theo bước sóng WDM
Hình 4: S gia tăng băng thông c a các m ng khác nhau qua các năm
ủ
ự
ạ
22
Hình 5: H th ng TDM ệ ố
Hình 6: H th ng WDM ệ ố
ế ộ ấ ớ ề
ng kênh ượ ầ
ng truy n ệ mà không c n tăng ề cũng nh ư không c n dùng thêm s i ườ ầ ợ
WDM là ti n b r t l n trong công ngh truy n thông quang, nó cho phép tăng dung l t c đ bit đ ố ộ d n quang ẫ
23
Cấu trúc hệ thống WDM
ệ ố ấ
Hình 7: C u trúc h th ng WDM c ơ b nả
24
Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM
Hình 8: Nguyên lí ghép kênh phân chia theo b c sóng
ủ ộ ự
ố c sóng khác nhau Các thi ế ị li và khu ch đ i công su t quang t ế t b tích c c/ ch đ ng c n thi ầ i các b ạ ấ ạ ướ t đ ghép, phân b , cách ế ể ướ
25
Thành ph n then ch t trong h th ng WDM là các b ộ
ệ ố
ố
c t o ra t
laser diode có b
c sóng
ừ
ướ
ầ ghép và tách kênh Tín hi u quang đ ệ 2,l khác nhau l
n
ầ
ượ ạ 3,…l WDM k t h p nh ng tín hi u đ u vào th ữ c sóng
đ u ra, quá trình này g i là ghép
ệ ở ầ
ành m t tín ộ ọ
1,l ế ợ hi u nhi u b ề ướ ệ kênh
Tín hi u ghép này s truy n trên s i quang và đ n bên ề
ế
ệ
ẽ
ợ
thu.
Bên thu s ti n hành tách kênh các b
c sóng khác nhau
ẽ ế
ướ
1,l
2,l
3,…l
n
l
26
Kênh 1
Kênh 1
Thu l
Ngu n ồ l
1
1
Kênh 2
Kênh 2
Thu l
Ngu n ồ l
2
2
t b
Thi
t b
m t s i ộ ợ quang quang
Thi ế ị WDM
ế ị WDM
l
l
l
,
,...,
1
2
n
Kênh n
Kênh n
Thu l
Ngu n ồ l
n
n
(a)
Hình 9: H th ng WDM theo m t h
ng (a)
ệ ố
ộ ướ
ệ ố
H th ng WDM m t chi u: có nghĩa là t ộ ề trên m t s i quang truy n d n theo cùng m t chi u. ề ẫ t c các kênh cùng ấ ả ộ ộ ợ ề
27
Kênh vào
Kênh ra
Ngu n ồ l
1
Thu l
1
M t s i quang
ộ ợ
Thi t b ế ị WDM
Thi t b ế ị WDM
l
1
Kênh ra
Kênh vào
l
Thu l
2
2
Ngu n ồ l
2
(b)
Hình 9: H th ng WDM theo hai h
ng (b)
ệ ố
ướ
ề
ệ ố ề ẫ
ướ
ướ
ề
ả
c s l ượ ố ượ
ng b khu ch đ i và ế
ạ
ộ
ệ ố ng dây
H th ng WDM hai chi u gi m đ đ ườ
H th ng WDM hai chi u: có nghĩa là kênh quang trên m i s i quang ỗ ợ c sóng tách r i nhau ng khác nhau, dùng các b truy n d n theo hai h ờ đ thông tin hai chi u. ề ể
28
Ưu điểm của hệ thống WDM
29
30
Nguyên lý hoạt động của EDFA
c
ộ
ạ
ạ
ộ
ồ
ắ ượ
B khu ch đ i quang bao g m m t đo n ng n đ pha t p b ng các ion Erbium (g i là s i EDF).
ế ạ ằ
ợ
Erbium là m t nguyên t
đ t hi m có tính năng quang
ộ
ố ấ
ọ ế
tích c c làm tác nhân cho s b c x c
ự ứ ạ ưỡ
ự
ng b c ứ
31
Trạm lặp quangđiện
32
KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA
EDF
Đ u vào
ầ
WDM
Đ u raầ
B ộ cách li
B cách li
ộ
Hình 14: Khu ch đ i EDFA ế
ạ
ồ ợ
ấ ạ ướ
C u trúc c b n c a b khu ch đ i quang s i EDFA g m s i ợ ạ ế ơ ả ủ ộ pha t p Erbium, Laser b m, b ghép b c sóng quang WDM và ộ ơ b cách li quang ộ
S i pha Erbium th ợ ườ ng có đ dài l n h n ho c b ng 10m ơ ặ ằ ộ ớ
33
ử ụ i hai b
c sóng
,ánh sáng b m s d ng cho ạ
ơ c s d ng t ử ụ
ướ
ỉ ượ
c sóng ho t đ ng c a EDFA: 1530
Vùng b
ạ ộ
ủ
Trên th c t ự ế EDFA ch đ 980nm và 1480nm ướ -1565nm ế
ở c sóng l n h n 1565nm và 0dB t
c
Đ khu ch đ i gi m nhanh chóng ả ơ
ộ ướ
vùng i b ạ ướ
ạ b ớ sóng 1616nm
34
35
Tr ng thái đ t(m c có năng l ấ
c ký hi u ng th p nh t) đ ạ ứ ệ
ng ng v i m c năng ứ ượ ứ
Thông qua s h p thu năng l
ượ 4I15/2, m c ứ 4I13/2 là m c siêu b n t l ượ ờ
ủ ng mà ion Er ự ấ
tr ng thái đ t lên m c năng l ượ ể ừ ạ ấ ấ ấ ề ươ ứ ớ 3+ có th i gian s ng lâu nh t ấ ố ng c a ánh sáng b m s ẽ ơ ượ ươ ứ 4I13/2, ng ng ng t ứ
Các ion
chuy n t 4I11/2, 4I9/2…
ở ạ
ể
Khi tín hi u quang t
i đ u vào s i EDF đ n g p các ion Er 3+ ứ 4I11/2, 4I9/2…s phân rã không phát x và các m c ẽ chuy n xu ng tr ng thái siêu b n. ố ề ạ ợ ệ ớ ầ
c kích thích và phân b d c theo lõi s i s x y ra quá ố ọ ế ặ ợ ẽ ả
đ ượ trình b c x kích thích ứ ạ
ng ụ ướ
Quá trình này s t o ra các photon ph có cũng pha và h ế
ng đ ánh sáng ộ
v i tín hi u t ớ tín hi u t ẽ ạ i chính vì th ta thu đ c c ượ ườ i đ u ra EDF l n h n đ u vào ầ ớ ệ ớ ệ ạ ầ ơ
36
Các đặc tính của EDFA D i khu ch đ i c a EDFA ạ ủ
ế
ả
