Chuong 5 he thong thong tin quang

Chương 7: Hệ thống thông tin quang

Chương 7 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

7.1. Cấu tạo và nguyên lý sợi quang:

Sợi quang cấu tạo gồm 1 ruột – lõi (core) chiết suất n1 và vỏ (Cladding) chiết suất n2 thoả mãn n1 > n2, nhờ đó sự phản xạ toàn phần xuất hiện tại bề mặt phân cách này.

Hình 7.1. Sợi quang

Sự khác biệt giữa n1 và n2 rất bé (cỡ o/oo ), để tia sáng đi thẳng và tia phản xạ có độ dài quãng đường và thời gian truyền chênh lệch không nhiều

Hình 7.2. Sự biến thiên chiết suất sợi quang

166


Người ta cố gắng giảm sự chênh lệch này nhỏ hơn nữa, bằng cách sử dụng sợi quang có chiết suất biến thiên liên tục ( dạng parabol - chiết suất gradient)

Sợi quang có đường kính lõi rất bé ( 2 8μm). sự chênh lệch chiều dài truyền thẳng và phản xạ không đáng kể, ta gọi là sợi đơn mode (Single mode)

Sợi quang đa mode (Multimode) có đường kính lõi cỡ 25 100 μm sẽ chịu méo dạng sóng nhiều hơn , do thời gian truyền khác nhau của nhiều nhóm sóng, nên hạn chế tốc độ truyền thông tin

Vật liệu làm sợi quang có 2 loại Plastic và glass Sợi quang được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để

truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Cáp quang có cấu tạo gồm

lõi : Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi áo : Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi. lớp bọc đầu tiên : Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt jacket: Nhiều sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài được gọi là jacket.

PHÂN LOẠI SỢI QUANG

sợi quang thạch anh

sợi thuỷ tinh đa vật liệu phân loại theo vật liệu điện

môi

sợi quang bằng nhựa sợi quang đơn mốt

phân loại theo mốt truyền lansợi quang đa mốt

sợi quang chiết suất bậc phân loại theo chiết suất khúc xạ sợi quang chiết suất biến đổi đều

Trong mạng viễn thông , sợi quang thuỷ tinh thạch anh được sử dụng nhiều bởi

vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài.

phân loại theo mốt lan truyền: theo mốt lan truyền được chia làm hai loại. một là sợi quang đơn mốt (được gọi là loại SM ) loại sợi này chỉ cho một mốt lan truyền. loại sợi thứ hai là loại đa mốt, cho nhiều mốt lan truyền.

167


phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ: • sợi quang SI (stepped index )

• Sợi quang GI (graded index )

• Sợi quang SM (Single mode )

Hình 7.3. Đường đi cuả ánh sáng qua sợi quang

• Multimode stepped index (chiết suất bước): Lõi lớn (100 μm ), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag…tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng.

• Multimode graded index (chiết suất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng.

• Single mode (đơn mode): Lõi nhỏ (8 μm hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode. Các tia truyền theo phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng.

Đặc điểm : Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng vào cáp quang. Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data. Cáp quang chỉ truyền sóng ánh sáng (không truyền tín hiệu điện) nên nhanh, không bị nhiễu và bị nghe trộm. Độ suy giảm thấp hơn các loại cáp đồng nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn km. Cài đặt đòi hỏi phải có chuyên môn nhất định Cáp quang và các thiết bị đi kèm rất đắt tiền so với các loại cáp đồng .

Các thông số tiêu chuẩn .

Các chỉ số Sợi quang chiết suất biến đồi Sợi quang đơn mốt

168


Bước sóng sử dụng 0.85µm 1.3 µm 1.3 µm 1.55 µm Đường kính lõi 50 µm +/- 6% ------------------- Đường kính vỏ 125 µm +/- 2.4% 125 µm +/- 2.4%`

Tỷ lệ đồng tâm hoặc số đồng tâm 6% hoặc ít hơn 0.5 - 3 µm

Tỷ lệ không tròn của lõi 6% hoặc ít hơn -----------

Tỷ lệ không tròn của vỏ 2% hoặc ít hơn 2% hoặc ít hơn

169


7.2. Truyền số bằng cáp quang: Các tín hiệu điện cần ở dạng đơn cực . Các bộ đồng bộ clock nơi thu là rất cần thiết. Do băng thông sợi quang rất rộng , nên tốc độ thông tin phụ thuộc nhiều vào tốc

độ chuyển đổi điện quang , ít phụ thuộc vào kênh truyền . Thông thường có 2 dạng mã đường truyền.

Mã nhị phân đơn giản nhưng không giữ được đồng bộ bit khi thông tin có dạng chuỗi bit giống nhau . Để khắc phục , người ta ngẫu nhiên hoá (Scrambling) tín hiệu ở nơi phát tin . Tại nơi thu , người ta giải ngẫu nhiên (Descrambling) để khôi phục tín hiệu trở lại.

Mã CMI ( Coded Mark Inversion) phù hợp với truyền tốc độ cao trên sợi quang . Mã CMI có khả năng đồng bộ rất cao , nhưng có phổ rộng hơn.

Hình 7.4. Code Mark Inversion CMI

7.3. Tốc độ đường truyền của hệ thống quang- hiên tượng tán sắc:

Hình 7.5. Dạng xung

Thời gian lên là thời gian được tính từ 10% 90% biên độ

170


• Nơi phát : LED có T = 5 15 ns, LD T = 0,1 2 ns

• Nơi thu : PIN , APD T = 1 4 ns

• Thời gian lên toàn hệ thống là: 2 2 2

Phat Modal Vat lieu Thu1,1. T T T THeThongT = + + + 2

• Tphát là thời gian lên của diode phát

• TThu là thời gian lên của diode thu

• TModal là do tán xạ mode dọc theo sợi quang (đơn mode , đa mode )

• TVật liệu là do sự tán xạ bước sóng của vật liệu sợi quang (Chiết suất của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng )

• Gọi t là độ rộng xung điều chế , thông thường The thong = 0,35.t

• Tốc độ bit đường truyền là Rmax ~ 1 / The thong Tán sắc trong sợi quang Tán sắc trong sợi quang gây ra sự dãn rộng xung ánh sáng khi truyền. 7.3.1. Tán sắc mode do

• Sợi truyền nhiều mode

• Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền khác nhau)

Hình 7.6. Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode

171


7.3.2. Tán sắc vật liệu (bước sóng) Nguyên nhân:

• Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định.

• Tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bước sóng)

• Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Hình 7.7. Quan hệ giữa tán sắc vật liệu với bước sóng

7.3.3. Dải thông B trên đường truyền quang

Dải thông đường truyền quang B là dải tần số của tín hiệu sao cho công suất quang biến thiên 3 dB ( hay công suất điện tương ứng biến thiên 6 dB )

Dải thông đường truyền quang B phụ thuộc chiều dài d sợi quang và loại sợi quang

Nhận xét

Dải thông B sợi quang đơn mode theo qui luật 1/d , nó rộng hơn nhiều so với dải thông của sợi quang đa mode

Với sợi quang đa mode , dải thông B phụ thuộc vào chiều dài sợi quang d, do sự tán xạ của sóng quang trong môi trường truyền. Nó theo qui luật 1/d nếu d < d tới hạn; theo qui luật 1 chia cho căn bậc 2 của d nếu d > d tới hạn Chú ý Tốc độ bit max truyền trên sợi quang là D = 1,25B

172


7.4. Các bộ chuyển đổi điện quang Các bộ chuyển đổi điện quang thông thường là LED, diode Laser (LD) Các bộ chuyển đổi quang điện thông thường là photodiode PIN , photodiode thác

lũ APD ( Avalanche photodiode )

Hình 7.8. Hệ thống thông tin quang đơn giản

Hình 7.9. Đặc tính của Laser diode

173


Hình 7.10. Đặc tính của photo diode

174


7.5. Suy hao sợi quang Suy hao thuần sợi quang phụ thuộc bước sóng

• Suy hao thuần sợi quang khoảng vài dB/Km

• Suy hao thuần của sợi quang còn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng λ

• Ánh sáng vùng hồng ngoại (0,7 1,6 μm ) có suy hao nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng khả kiến (0,4 0,7 μm )

Có 3 vùng bước sóng ở vùng hồng ngoại cho độ suy hao cực tiểu

• Các hệ sợi quang cũ sử dụng bước sóng 0,85 μm

• Vùng bước sóng 1,3 μm Cho suy hao nhỏ hơn so với 0,85 μm

• Vùng bước sóng 1,55 μm đang được nghiên cứu đưa vào thực tế Đáp ứng tần số tín hiệu trên sợi quang

• Với cùng sự suy hao thuần như nhau, Tín hiệu mang thông tin có tần số càng cao càng chịu suy hao nhiều trên đường truyền sợi quang

Hình 7.11. Suy hao thuần sợi quang phụ thuộc bước sóng

Các nguyên nhân khác gây suy hao :

• Suy hao do hấp thụ

• Suy hao do tán xạ

• Suy hao do uốn cong …

175


7.6. Ứng dụng của sợi quang trong thông tin liên lạc Sợi quang có các ưu điểm sau:

Băng thông rộng ( Vài chục Mhz với sợi đa mode , Vài chục Ghz với sợi đơn mode ) Tốc độ truyền thông tin rất lớn , chỉ bị giới hạn bởi sự tán sắc

Sự suy hao thuần rất thấp Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ , tránh được sự ghép ký sinh Có thể sử dụng trong môi trường điện từ phức tạp Ít thay đổi đặc tính theo nhiệt độ Cách điện hoàn toàn giữa phần thu và phát (chống nhiễu đầu gần) Nhẹ và chịu xoắn cơ khí Có tiềm năng lớn về kinh tế và công nghệ

Tồn tại: Việc nối các sợi quang đòi hỏi cơ khí chính xác Việc ghép các kênh truyền quang học còn khó khăn

Hình 7.12. Suy hao sợi quang so với cáp

176


7.7. Các thông số cơ bản của sợi quang Đặc tính của truyền số là:

• Tốc độ bit nhị phân cần truyền

• Chiều dài của đường truyền

• Xác suất sai mỗi bit chấp nhận được Đặc tính của môi trường truyền sợi quang là:

• Độ suy hao thuần trên đường truyền

• Sự tán xạ mode (modal dispersion) và tán xạ sắc (chromatic dispersion) làm tăng độ rộng xung

Các thông số thực tế khác:

• Suy hao do ghép nối không chặt giữa 2 sợi quang , giữa sợi quang và bộ chuyển đổi điện quang, suy hao do vết nứt trên sợi quang

• Đáp ứng thời gian của bộ chuyển đổi điện quang 7.8. Nguyên lý thông tin sợi quang

Người ta điều chế tín hiệu dựa trên cường độ của ánh sáng Sự suy hao trên đường truyền sóng quang do hiện tượng hấp thụ và tán xạ (absorption and diffusion) và tại các bộ chuyển đổi điện quang

Cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang gồm:

• Bộ điều chế như PCM …

• Bộ chuyển đổi điện quang (electro-optic) tại nơi phát . Nó điều chế cường độ sóng quang

• Bộ chuyển đổi quang điện (opto-electronic) tại nơi thu. Nó giải điều chế hình bao của cường độ sóng quang

• Bộ giải điều chế điện để khôi phục thông tin được truyền đi

Hình 7.13. Suy hao và tái tạo tín hiệu trong Hệ Thống Thông Tin quang

177


Hình 7.14. Mạng Thông Tin quang

178

Chuong 5 he thong thong tin quang

Documents

Transcript of Chuong 5 he thong thong tin quang