Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang

Chia sẻ: Vgxc Cvx Bvcb | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

0
163
lượt xem
52
download

Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông. Mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú, hiện đại của nhân loại. Các hệ thống thông tin quang có những yêu điểm nổi trội hơn hẳn các hệ thống trước đó về băng tần rộng, cự ly thông tin…....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang

  1. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trên mạng lƣới viễn thông. Mọi ngƣời đều thừa nhận rằng phƣơng thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú, hiện đại của nhân loại. Các hệ thống thông tin quang có những yêu điểm nổi trội hơn hẳn các hệ thống trƣớc đó về băng tần rộng, cự ly thông tin…. Điều ấy đã gây sức hấp dẫn mạnh mẽ lên các nhà khai thác tuyến truyền dẫn. Song, trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa và tiến đến năm 2020 Việt Nam trở thành một nƣớc công nghiệp, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc ngày càng tăng cao, và không chỉ dừng lại trong phạm vi lãnh thổ quốc gia mà còn vƣơn xa ra thế giới. Chính vì lẽ đó mà hệ thống thông tin quang cũng phải có một sự phát triển nhanh chóng, trong việc tăng cự ly truyền dẫn , tăng băng thông…. Tăng khoảng cách đồng nghĩa với việc băng thông càng hẹp, và trong khi đó, các hệ thống thông tin quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động ở vùng bƣớc sóng 1550 nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang pha tạp erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn. Tuy vậy, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống là tán sắc. Tán sắc gây ảnh hƣởng rất lớn tới hệ thống nhƣ làm méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí tự ( ISI-intersymbol interference), làm xuống cấp chất lƣợng truyền dẫn và hậu quả thậm trí không chấp nhận đƣợc. Nhìn chung hậu quả của tán sắc tới năng lực truyền dẫn, chất lƣợng hệ thống là rất phức tạp, điều này gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa. Vì vậy, việc xác định ảnh hƣởng của tán sắc một cách định lƣợng là vô cùng quan trọng, cần thiết để trên cơ sở đó có thể xác định việc bù tán sắc sợi. Để tìm hiểu vấn đề này em đã thực hiên đề tài “Nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang”. Nội dung của đề tài gồm 3 chƣơng. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG. Trong chƣơng này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lƣợc về thông tin quang. CHƢƠNG 2: SỢI QUANG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 1
  2. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Chƣơng 2 ta đi vào tìm hiểu về các nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới mô hình lý thuyết sóng chung dựa vào phƣơng trình Maxwell. Sau đó chúng ta phần còn lại của chƣơng này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tƣợng phi tuyến trong sợi quang CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG. Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu ta sẽ tìm hiểu về ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin sợi quang, và một số biện pháp để đo chúng. *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 2
  3. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG .................. 8 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. .................. 8 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH........................ 10 1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang. ................................................ 10 1.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin sợi quang. ............................. 13 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN. ......................................................... 14 1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông. ......................................................................... 14 1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp. ................................................................ 15 CHƢƠNG 2 SỢI QUANG....................................................................................... 18 2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG.................................................... 18 2.1.1 Sóng điện từ. ................................................................................................. 18 2.1.2 Quang hình. ................................................................................................... 20 2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index). ................................................... 20 2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần và định luật Snell. ....................... 21 2.1.1 Lƣợng tử. ....................................................................................................... 23 2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG. ............................................................................................................. 24 2.2.1 Cấu tạo cơ bản sợi quang. ............................................................................. 24 2.2.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang. Khẩu độ số NA (Numerical Aperture).................................................................................................................. 25 2.2.3 Phân loại sợi quang. ...................................................................................... 28 2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG....................................... 32 2.3.1 Hệ phƣơng trình Maxwell. ............................................................................ 32 2.3.2 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sự lan truyền của sóng điện từ (EM) trong môi trƣờng suy hao. ....................................................................................... 36 2.3.3 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sự lan truyền của sóng điện từ trong ống dẫn sóng chữ nhật. ................................................................................................... 38 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 3
  4. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang 2.3.4 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sợi quang.................................................. 42 2.3.5 Hiểu thêm về mode. ...................................................................................... 43 2.3.5.1 Mode tự nhiên (mode thực hay chính xác). ........................................... 43 2.3.5.2 Ba loại mode: dẫn, bức xạ và rò. ............................................................ 44 2.3.5.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm. ................................................................ 44 2.3.5.5 Đƣờng kính trƣờng mode (MFD). ......................................................... 48 2.3.5.6 Chiết suất hiệu dụng. .............................................................................. 49 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG....................................... 49 2.4.1 Suy hao. ......................................................................................................... 50 2.4.1.1 Tổng quan............................................................................................... 50 2.4.1.2 Suy hao do hấp thụ. ................................................................................ 51 2.4.1.3 Suy hao do tán xạ tuyến tính. ................................................................. 53 2.4.1.4 Suy hao do uốn cong. ............................................................................. 55 2.4.1.5 Suy hao và dải thông. ............................................................................. 56 2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến.................................................................................. 57 2.4.3 Tán sắc........................................................................................................... 59 2.4.3.1 Tổng quan............................................................................................... 59 2.4.3.2 Tán sắc mode.......................................................................................... 60 2.4.3.3 Tán sắc vật liệu....................................................................................... 63 2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng. ............................................................................ 65 2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode. ......................................................................... 67 2.4.3.6 Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông................................................... 68 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG ..... 70 3.1 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG...... 70 3.1.1 Dãn xung do tán sắc. ..................................................................................... 70 3.1.2 Ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang. ................................... 71 3.1.2.1 Phƣơng trình truyền dẫn cơ bản. ............................................................ 71 3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) ................................................... 73 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC VÀ DẢI THÔNG SỢI QUANG. .......... 80 3.2.1 Phƣơng pháp đo đáp ứng xung...................................................................... 81 3.2.2 Phƣơng pháp đo trong miền tần số................................................................ 84 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 4
  5. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang 3.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang. .......................................................... 88 3.2.4 Sai số trong đo đặc. ....................................................................................... 89 3.2.5 Giới thiệu về máy phân tích quang phổ. ....................................................... 90 3.2.6 Yêu cầu kĩ thật trƣớc khi đo. ......................................................................... 92 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 96 *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 5
  6. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hƣớng Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản của một trạm nặp quang Hình 1.5 Thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang cự ly xa Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp Hình 2.1 Sóng điện từ, hình tĩnh Hình 2.2 Phổ sóng điện từ Hình 2.3 Hiện tƣợng phản xạ và khúc xạ ánh sang Hình 2.4 Ánh sáng đi từ môi trƣờng chiết suất nhỏ sang môi trƣờng chiết suất lớn Hình 2.5 Hiện tƣợng phản xạ toàn phần Hình 2.6 Sơ đồ mức năng lƣợng Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang Hình 2.8 Cấu tạo của sợi quang Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang Hình 2.11 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) Hình 2.12 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI Hình 2.13 Các thông số của sơi đa mode Hình 2.14 Các thông số của sợi đơn mode Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM Hình 2.16 Sóng điện từ ngang phẳng tắt dần Hình 2.17 Ống dẫn sóng hình chữ nhật Hình 2.18 Sự thay đổi các thành phần trƣờng của mode TE10 Hình 2.19 Các đƣờng sức sóng TE10 trong ống dẫn sóng Hình 2.20 Các đƣờng sức của bốn mode tự nhiên bậc thấp nhất trong sợi SI Hình 2.21 Đồ thì cƣờng độ và hình mãu sáu mode LP Hình 2.22 Ví dụ kết hợp các mode HE21+ TE01 và HE21 + TM01 thành các mode LP11 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 6
  7. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Hình 2.23 Sự tập chung công suất nhƣ là hàm của tần số chuẩn hóa V Hình 2.24 Sự phân bố năng lƣợng trƣờng trong sợi quang Hình 2.25 Suy hao trong sợi quang Hình 2.26 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại Hình 2.27 Sự hấp thụ của ion (với nồng độ ) Hình 2.28 Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại Hình 2.29 Suy hao bên trong sợi quang Hình 2.30 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong Hình 2.31 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng Hình 2.32 Tán sắc mode trong sợi đa mode SI Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode trong sợi đa mode GI có theo g Hình 2.34 Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc theo bƣớc sóng Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng Hình 2.36 Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng trong sợi quang Hình 2.37 Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng qua lăng kính Hình 2.38 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị tán sắc Hình 2.39 Minh họa tán sắc phân cực mode Hình 3.1 Nguyên lý phép đo đáp ứng xung. Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung. Hình 3.3 Nguyên lý phƣơng pháp đo quét tần số. Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số. Hình 3.5 Các thành phần chính trong máy phân tích phổ Hình 3.5 Lọc trung tần *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 7
  8. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thông, truyền số liệu, truyền hình cáp…. Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang, các ƣu điểm và nhƣợc điểm của cáp sợi quang, và các lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang. 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển loài ngƣời khi con ngƣời trƣớc đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (Hand signal). Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang: bởi vì không thể ra dấu trong bóng tối. Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này (hệ thống "Hand signal"). Thông tin đƣợc mang từ ngƣời gởi đến ngƣời nhận dựa vào sự bức xạ mặt trời. Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ não xử lý thông điệp này. Thông tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn. Một hệ thống quang sau đó, có thể có đƣờng truyền dài hơn, là tín hiệu khói (Smoke signal). Thông điệp đƣợc gởi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ lửa. Mẫu khói này một lần nữa đƣợc mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời. Hệ thống này đòi hỏi một phƣơng pháp mã hóa phải đƣợc đặt ra, mà ngƣời gởi và ngƣời thu thông điệp phải đƣợc học nó. Điều này có thể có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) sử dụng trong hệ thống số (digital system) hiện đại. Trải qua một thời gian dài từ khi con ngƣời sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa để làm thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bƣớc phát triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây: - Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để ra hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới. - Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sƣ ngƣời Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó. Thời đó tin tức đƣợc truyền với tín hiệu này vƣợt chặng đƣờng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 8
  9. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang 200 Km trong vòng 15 phút. - Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên ngƣời Anh, đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trƣờng điện môi trong suốt. - Năm 1870: cũng John Tyndall đã chứng minh đƣợc rằng ánh sáng có thể dẫn đƣợc theo một vòi nƣớc uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần. - Năm 1880: Alexander Graham Bell, ngƣời Mỹ, đã phát minh ra một hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone. Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gƣơng phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi. Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã đƣợc điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ biến đổi thông điệp thành dòng điện. Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này. Hệ thống photophone chƣa bao giờ đạt đƣợc thành công trên thƣơng mại, mặc dù nó đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lƣợng đƣờng truyền. - Năm 1934: Norman R.French, kỹ sƣ ngƣời Mỹ, nhận đƣợc bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang. Phƣơng tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh. - Vào những năm 1950: Brian O'Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan truyền trong lớp này) và lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng ở lõi. Sợi này sau đó đƣợc các nhà khoa học trên phát triển thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi bằng sợi quang), một thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi. Tính uốn cong của fiberscope cho phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một cách bình thƣờng đƣợc. Đến nay, hệ thống fiberscope vẫn còn đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành y dùng để soi bên trong cơ thể con ngƣời. - Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng cƣờng và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi. - Năm 1960: Theodor H.Maiman đƣa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lƣợng hệ thống thông tin quang rất cao. - Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh đƣợc chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ đƣợc giảm tối thiểu. Và họ cho rằng nếu sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 9
  10. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang đƣợc chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km. - Năm 1967: suy hao sợi quang đƣợc báo cáo là:  1000 dB/Km. - Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao dB/Km ở bƣớc sóng:  = 633nm. - Năm 1972: loại sợi GI đƣợc chế tạo với suy hao dB/Km. - Năm 1983: sợi SM (Single Mode) đƣợc sản xuất ở Mỹ. - Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đƣờng dài mới có tốc độ 10 Gbit/s trên chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tếp phân bố. - Hiện nay, sợi quang có suy hao:   0,2 dB/Km ở bƣớc sóng 1550 nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều. 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH. 1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang. Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang. Nói chung tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc fax đƣợc đƣa đến bộ E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó gởi vào cáp quang. Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra. Khi truyền tới đầu bên kia sợi quang, tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng nhƣ ban đầu mà máy điện thoại, số liệu và Fax đã gởi đi. Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang Nhƣ vậy, cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể đƣợc mô tả đơn giản nhƣ hình1.2: Bộ phát quang, Bộ thu quang, Môi trƣờng truyền dẫn là cáp sợi quang. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 10
  11. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang - Bộ phát quang: Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đƣa và đƣa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Trong hệ thống thông tin quang các nguồn quang đƣợc sử dụng là điode pháp quang (LED) và laser bán dẫn (Laser Diode _ LD). Chúng có nhiều ƣu điểm nhƣ: Kích thƣớc nhỏ, hiệu suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bƣớc sóng phát quang thích hợp với sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao. - Bộ thu quang: Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi. Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu đƣợc từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thƣờng sử dụng các photodiode PIN hoặc APD. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu đƣợc ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép. - Môi trƣờng truyền dẫn là cáp sợi quang: phƣơng tiện để truyền tín hiệu. Trên hình 1.2 chỉ mới minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một hƣớng. Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hƣớng. Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 11
  12. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Nhƣ vậy, để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần có hai sợi quang. Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (Repeater). Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hƣớng truyền dẫn) đƣợc minh họa ở hình 1.4. Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản một trạm nặp quang - Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ đƣợc thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện nhƣ ở đầu phát. Đó là chức năng của khối O/E ở bộ thu quang. Các linh kiện hiện nay đƣợc sử dụng để làm chức năng này là PIN và APD, và chúng thƣờng đƣợc gọi là linh kiện tách sóng quang (photo-detector). - Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao). Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến đƣợc đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu không nhận biết đƣợc, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận). Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang. Và cuối cùng đƣa tín hiệu quang này lên đƣờng truyền để truyền tiếp đến đầu thu. Nhƣ vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E và E/O. - Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đƣa đến, biến tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đƣa tín hiệu quang này lên đƣờng truyền (sợi quang). Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang. Thƣờng ngƣời ta gọi khối E/O là nguồn quang. Hiện nay linh kiện đƣợc sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER. Và ta có thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang đƣợc thể hiện nhƣ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 12
  13. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang sơ đồ hình 1.5. Tín hiệu quang Tín hiệu quang Thu KĐ Sửa Phát quang dạng quang Hình 1.5 Thành phần chính của một tuyến truyền dẫn sợi quang cự ly xa 1.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin sợi quang. a. Ƣu điểm. - Suy hao thấp. Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn. Nếu so sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng đƣợc khuyến cáo là 100 m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000 m. Một nhƣợc điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu. Điều này có nghĩa là tốc độ dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách lan truyền thực tế. Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số của tín hệu. - Dải thông rộng. Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao. Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz. - Trọng lƣợng nhẹ. Trọng lƣợng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng. Một cáp quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi. Cáp quang có trọng lƣợng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn. - Kích thƣớc nhỏ. Cáp sợi quang có kích thƣớc nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp. - Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp. - Tính an toàn. Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện. - Tính bảo mật. Sợi quang rất khó trích tín hiệu. Vì nó không bức xạ năng lƣợng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phƣơng tiện điện thông thƣờng nhƣ sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. - Tính linh hoạt. Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 13
  14. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang b) Nhƣợc điểm. - Vấn đề biến đổi Điện-Quang. Trƣớc khi đƣa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện đó phải đƣợc biến đổi thành sóng ánh sáng. - Dòn, dễ gẫy. Sợi quang sử dụng trong viễn thông đƣợc chế tạo từ thủy tinh nên dòn và dễ gẫy. Hơn nữa kích thƣớc sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn. Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng. - Vấn đề sửa chữa. Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp. - Vấn đề an toàn lao động. Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phƣơng tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không đƣợc nhìn trực diện đầu sợi quang hay các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt ngƣời không cảm nhận đƣợc nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lƣợng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt. 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN. 1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông. Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn quang - truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Do có nhiều ƣu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lƣợng kênh, kinh tế... mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đƣờng trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dƣơng. Công nghệ ngày nay đã tạo ra kỹ thuật thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hƣớng hiện đại và kinh tế nhất. Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ điều này đã làm đơn giản việc tăng đƣợc chiều dài toàn tuyến thông tin quang. Thêm vào đó khi công nghệ thông tin quang kết hợp và khuếch đại quang ra đời làm tăng chiều dài đoạn lên gấp đôi hoặc gấp n lần. Nhƣ vậy chất lƣợng tín hiệu thu trên hệ thống này sẽ đƣợc cải thiện một cách đáng kể. Ở nƣớc ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp quang đƣợc hình thành, đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội - Hồ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 14
  15. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc. Trong tƣơng lai mạng cáp quang sẽ đƣợc xây dựng rộng khắp. Tuyến đƣờng trục cáp quang sẽ đƣợc rẽ nhánh tới các tỉnh, thành phố, quận, huyện và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt. Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay: - Mạng đƣờng trục xuyên quốc gia. - Mạng riêng của các công ty đƣờng sắt, điện lực, ... - Đƣờng trung kế - Đƣờng cáp thả biển liên quốc gia - Đƣờng truyền số liệu, mạng LAN - Mạng truyền hình. - Trong tƣơng lai sợi quang có thể đƣợc sử dụng trong mạng thuê bao. 1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp. - Truyền số liệu. Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang Dƣới đây minh họa một vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang. Cáp sợi quang hiện nay đƣợc sử dụng cho rất nhiều ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp quang để truyền thông giữa các tổng đài, qua các thành phố, qua các nƣớc khác nhau và qua những tuyến dài trên biển (xem hình1.6). Hiện nay ở một số nƣớc đã có kế hoạch mở rộng cáp quang đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ videophone chất lƣợng cao. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 15
  16. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang - Truyền hình cáp. Các công ty truyền hình cáp đang triển khai các đƣờng cáp quang để truyền tải những tín hiệu chất lƣợng cao từ trung tâm đến các vị trí trung chuyển phân bố xung quanh các thành phố (hình 1.7). Sợi quang nâng cao đƣợc chất lƣợng của các tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng. Trong tƣơng lai cáp quang có thể nối trực tiếp đến các hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho ngƣời sử dụng. Những dịch vụ dựa trên cáp quang nhƣ truyền hình tƣơng tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã đƣợc đƣa vào kế hoạch sử dụng trong tƣơng lai. Sợi quang là phƣơng tiện lý tƣởng cho truyền số liệu tốc độ cao. Tín hiệu không bị méo bởi nhiễu từ môi trƣờng xung quanh. Tính cách điện của sợi quang tạo ra một giao tiếp an toàn giữa các máy tính, các thiết bị đầu cuối, và các trạm làm việc. Rất nhiều trung tâm máy tính đang sử dụng cáp sợi quang để cung cấp các đƣờng truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN. Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp NÓI CHUNG Với đặc tính suy hao thấp, băng thông rộng, kích thƣớc nhỏ, nhẹ, không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp làm cho sợi quang đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ lĩnh vực viễn thông: viễn thông đƣờng dài, viễn thông quốc tế sử dụng cáp quang vƣợt đại dƣơng, mạng trung kế, mạng nội hạt thuê bao; lĩnh vực công nghiệp: đƣờng truyền tín hiệu điều khiển tự động trong hệ thống tự động, công Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 16
  17. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang nghiệp dệt; lĩnh vực y học; lĩnh vực quân sự. Sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu dƣới dạng ánh sáng nên các nguồn tín hiệu điện đƣợc chuyển thành ánh sáng bằng cách sử dụng LED hoặc LASER. Quá trình này đƣợc xử lý và diễn ra ở đầu phát, và đƣợc gọi là bộ phát quang. Tín hiệu quang này đƣợc ghép vào sợi và truyền đến bộ thu quang. Sau khi đến đầu thu, các tín hiệu này đƣợc chuyển trở lại thành tín hiệu điện thông qua linh kiện PIN hoặc APD. Mặc dù sợi quang có suy hao thấp nhƣng tín hiệu vẫn bị suy yếu, do đó đôi lúc trên hệ thống cũng cần bộ lặp quang, còn gọi trạm tiếp vận. Với tiềm năng về băng thông nên hệ thống truyền dẫn sợi quang đã và đang phát triển trong hệ thống truyền dẫn số đƣờng dài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng quang WDM. *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 17
  18. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang CHƢƠNG 2 SỢI QUANG GIỚI THIỆU Sợi quang là một môi trƣờng thông tin đặc biệt có thể so sánh với các môi trƣờng khác nhƣ cáp đồng hoặc không gian tự do. Một sợi quang cung cấp một môi trƣờng truyền dẫn suy hao thấp trên một dải tần số rộng lớn ít nhất là 2.5 THz, hay cao hơn với các loại sợi quang đặc biệt, dải thông của nó rộng hơn dải thông của cáp đồng hay bất cứ môi trƣờng truyền dẫn nào. Dải thông này có thể truyền hàng trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang web trong một giây. Ðặc tính suy hao thấp cho phép truyền tín hiệu ở khoảng cách dài với tốc độ cao trƣớc khi chúng đƣợc khuếch đại. Với hai đặc tính suy hao thấp và dải thông cao nên hệ thống thông tin sợi quang đã đƣợc sử dụng rộng rãi ngày nay. Khi hệ thống truyền dẫn phát triển ở khoảng cách xa hơn và tốc độ bit cao hơn, độ tán sắc trở thành một hệ số giới hạn quan trọng. Tán sắc là hiện tƣợng các thành phần khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau trong sợi. Ðặc biệt, tán sắc màu là hiện tƣợng các thành phần tần số (hoặc bƣớc sóng) của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau. Nói chung, tán sắc dẫn đến việc xung bị trải rộng ra và vì vậy đáp ứng xung của các bit gần nhau giao thoa với nhau. Trong hệ thống thông tin, điều này dẫn đến sự chồng xung của các bit gần nhau. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là giao thoa giữa các kí tự gần nhau (InterSymbol Interference - ISI). Khi một hệ thống phát triển lên một số lƣợng lớn bƣớc sóng, khoảng cách và tốc độ bit cao hơn, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu xảy ra. Nhƣ chúng ta sẽ thấy, có sự tƣơng tác phức tạp của các hiệu ứng phi tuyến với tán sắc màu. Chúng ta bắt đầu chƣơng này bằng cách thảo luận các nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới mô hình lý thuyết sóng chung dựa vào phƣơng trình Maxwell. Sau đó chúng ta phần còn lại của chƣơng này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tƣợng phi tuyến trong sợi quang. 2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG. 2.1.1 Sóng điện từ. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 18
  19. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Hình 2.1 Sóng điện từ hình tĩnh a) Theo thời gian b) theo không gian Trong môi trƣờng không gian tự do, ánh sáng là sóng điện từ ngang (TEM ). Khái niệm ngang (transverse) có nghĩa là cả hai véc tơ - điện trƣờng E và từ trƣờng H vuông góc với phƣơng truyền, trục z trong hình 2.1. - Tần số: Ký hiệu: f . Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second). - Bƣớc sóng: Ký hiệu: . Đơn vị: m (m, nm). Ký hiệu: . Đơn vị: m (m, nm). - Giữa tần số và bƣớc sóng có mối quan hệ sau:  hay f = (2.1)  Với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s. - Khoảng cách tần số (f) và khoảng cách bƣớc sóng () Lấy đạo hàm (2.1) theo tần số trung tâm 0, ta thu đƣợc mối quan hệ giữa khoảng cách tần số và khoảng cách bƣớc sóng:  (2.2)  - Phổ sóng điện từ. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 19
  20. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang  Vùng ánh sáng nhìn thấy đƣợc: chiếm dải phổ từ 380 nm đến 780 nm.  Vùng hồng ngoại: chia làm 3 phần: Vùng hồng ngoại gần: 780 nm ÷ 1400 nm. Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 m ÷ 6 m. Vùng hồng ngoại xa: 6 m ÷ 1 mm.  Ánh sáng dùng trong thông tin quang: 800 nm (1600nm (nhƣ vậy nằm trong Hình 2.2 Phổ sóng điện từ vùng hồng ngoại gần và một phần vùng hồng ngoại giữa).  Ba bƣớc sóng ánh sáng thông dụng dùng trong các hệ thống thông tin quang đƣợc gọi là 3 cửa sổ quang: Cửa sổ 1: 1 = 850 nm. Cửa sổ 2: 2 = 1300 nm.Cửa sổ 3: 3 = 1550 nm. Cửa sổ 4: 4 = 1625 nm. 2.1.2 Quang hình. 2.1.2.1Chiết suất khúc xạ (Refractive index). Ánh sáng có thể xem nhƣ là một chùm tia sáng. Các tia sáng lan truyền trong các môi trƣờng khác nhau với vận tốc khác nhau. Có thể xem các môi trƣờng khác nhau cản trở sự lan truyền canh sáng bằng các lực khác nhau. Điều này đƣợc đặc trƣng bằng chiết suất khúc xạ của môi trƣờng. Chiết suất của một môi trƣờng trong suốt (n) đƣợc xác định bởi tỉ số giữa vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sánh lan truyền trong môi trƣờng ấy: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản