Bài giảng Kỹ thuật thông tin quang (tiếp)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Bộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 1 • Lịch sử phát triển • Mô hình chung của hệ thống TTQ • Một số vấn đề về quang vật lý trong TTQ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Lịch Sử Phát Triển • 1790: Claude Chappe (Pháp) ƒ Điện báo quang ƒ 200km trong vòng 15 phút • 1870: John Tyndall (Anh) ể ẫƒ Chứng minh ánh sáng có th d n theo vòi nước bị uốn cong ÆĐịnh luật phản xạ toàn phần • 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ) ƒ Photophone: không thành công Æ Cần phải có một môi trường dẫn ánh sáng thích hợp www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Lịch Sử Phát Triển • 1934: Norman R.French (Mỹ) ƒ Nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang ƒ Dùng thanh thủy tinh để truyền ánh sáng Æ Môi trường truyền ánh sáng thích hợp 1958 A S h l à Ch l H T (Mỹ)• : . c aw ow v ar es . ownes ƒ Xây dựng và phát triển laser ƒ Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học quân sự , ÆNguồn quang dùng trong thông tin quang • 1966: Charles H Kao và George A Hockham (Mỹ) . . ƒ Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng ƒ Suy hao lớn ( > 1000dB/km) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5 Lịch Sử Phát Triển • 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ) ƒ Chế tạo sợi SI có suy hao < 20dB/km, tại λ=633nm Æ 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 Æ Sợi quang SM được sử dụng phổ biến ngày nay có suy hao 0 2 dB/km tại λ=1550nm ~ . www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Sơ đô ̀ khối cơ bản, gồm có: ƒ Bộ phát quang (E/O) ƒ Bộ thu quang (O/E) ƒ Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Chức năng chính các khối ƒ Khối E/O: điều chê ́ tín hiệu điện thành tín hiệu quang ƒ Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện. ƒ Cáp sợi quang: môi trường truyền dẫn tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Trạm lặp (repeater) ƒ Khuếch đại tín hiệu bị suy yếu do suy hao trên sợi quang ƒ Trạm lặp làm việc theo nguyên ly ́: quang – điện – quang (O – E – O) N ài để kh ế h đ i tí hiệ ò ó thể ửƒ go ra, u c ạ n u quang c n c s dụng các bô ̣ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ khuếch đại quang làm việc trong miền quang. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Nguyên tắc truyền tin: ƒ Tín hiệu truyền có tần số trong miền quang. ƒ Có thể truyền hai hướng trên một sợi quang. Thông thường sử dụng 2 sợi quang cho một tuyến va ̀ chỉ truyền một hướng trên 1 sợi quang. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Ưu điểm của hệ thống TTQ: ƒ Suy hao thấp ƒ Dải thông rộng ƒ Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ H à t à á h điệƒ o n o n c c n ƒ Không bị can nhiễu của trường điện từ ƒ Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể ƒ Tính bảo mật cao ƒ Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 11 Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Nhược điểm của hệ thống TTQ: ƒ Vấn đề biến đổi quang điện. ƒ Hàn nối, đo thử sợi quang đòi hỏi thiết bị chuyên dụng đắt tiền. ƒ An toàn lao động . www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Các khái niệm chung: ƒ 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) TA λA t (s) z (m) (a) (b) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 13 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Các khái niệm chung (tt): ƒ Bước sóng: • Ký hiệu: λ • Đơn vị: m » Theo không gian: λ - bước sóng (m) f C=λ TA λA t (s) z (m) (a) (b) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 14 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Ánh sáng có hai tính chất: ƒ Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ ƒ Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có năng lượng E » E = hf hay ( ) (eV)μmλ 1,24 E = www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 15 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Phổ sóng điện từ: www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 16 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Phổ sóng điện từ (tt): ƒ Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến 780 (đỏ)nm ƒ Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-1600nm) Æ không thấy được ƒ 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng trong thông tin quang: 850 nm 1300 nm và 1550 nm , www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 17 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản: ƒ 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 ƒ Chiết suất của một vài môi trường thông dụng: • Không khí: n = 1,00029 ≈ 1,0 Nướ 4/3 1 33• c: n = ≈ , • Thủy tinh: n = 1,48 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 18 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ Ðịnh luật phản xạ ánh sáng: • Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới • Góc phản xạ bằng góc tới (θ1' = θ1) Tia tới Tia phản xạ Môi trường 1 Môi trường 2 n1 n2 1 2 1 ' Tia khúc xạ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 19 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ 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 tới Tia phản xạ Môi trường 1n1 1 1 ' Môi trường 2n2 2 Tia khúc xạ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 20 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ 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: » n1 > n2 là ó iới h i /» θ1 > θc θc g c g ạn; s nθc = n2 n1 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 21 Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ Khi xảy ra hiện tượng pxtp, năng lượng ánh sáng được bả à h h ớ ềo to n t eo ư ng truy n » Ứng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh sáng qua sợi quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 22