Giới thiệu về hệ thống thông tin quang

Chương 5. Giới thiệu về hệ thống thông tin quang Nội dung Giới thiệu Sợi quang Thiết bị phát quang Thiết bị thu quang Hệ thống WDM Khuếch đại quang Mạng truyền tải quang giới thiệu Hệ thống truyền thông điện Hệ thống truyền thông quang Giới thiệu Tính chất Ánh sáng Ánh sáng có tính chất sóng Ánh sáng có tính chất hạt : ánh sáng bao gồm nhiều proton có năng lượng E = hv Hiện tượng: phản xạ, khúc xạ, tán xạ,… Dải tần hệ thống quang Dải tần thông tin quang Aùnh saùng thaáy ñöôïc chieám daûi phoå töø 380nm (tím) ñeán 780nm (ñoû) Aùnh saùng duøng trong thoâng tin quang naèm trong vuøng caän hoàng ngoaïi (near-infrared) (800nm-1600nm)  khoâng thaáy ñöôïc 3 vuøng böôùc soùng (cöûa soå böôùc soùng) ñöôïc söû duïng trong thoâng tin quang: 850 nm, 1300 nm vaø 1550 nm hệ thống thông tin quang Ưu điểm: Suy hao truyền dẫn thấp (0.2 - 0.5dB/km) hệ thống thông tin quang hệ thống thông tin quang Ưu điểm Dung lượng truyền dẫn lớn Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Độ an toàn truyền dẫn cao Kích thước và trọng lượng nhỏ. Sợi quang được chế tạo từ vật liệu có sắn hệ thống thông tin quang Ứng dụng: hệ thống truyền tải đường trục, trung kế , liên tỉnh Xây dựng các đường truyền xuyên đại dương Xu thế đường quang kéo đến người dùng. Sợi quang Cấu tạo Phân loại Cơ chế truyền ánh sáng Suy hao sợi quang Tán sắc sợi quang Cấu tạo sợi quang Lớp lõi: chiết suất n1 Lớp vỏ(bọc): chiết suất n2n2 CÔ SÔÛ QUANG HOÏC Söï phaûn xaï toaøn phaàn: Tröôøng hôïp n1>n2, khi goùc tôùi 1 lôùn hôn goùc tôùi haïn c thì khoâng coù tia khuùc xaï, tia tôùi phaûn xaï hoaøn toaøn veà moâi tröôøng tryeàn  hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn 2= 90 (1= c) c n2 n1 Tia tôùi haïn Tia khuùc xaï Tia phaûn xaï 2 c) (n1>n2) (1n2 và góc tới lớn hơn góc giới hạn Cơ sở lan truyền ánh sáng Khi góc tới không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần: tại bề mặt tiếp giáp tồn tại cả tia phản xạ và khúc xạ Các thông số sợi quang Suy hao Tán sắc Đặc tính phi tuyến Suy hao sợi quang C«ng suÊt quang truyÒn tải trong sîi còng giảm dÇn theo cù ly víi quy luËt hµm sè mò t­¬ng øng nh­ tÝn hiÖu ®iÖn. BiÓu thøc cña hµm sè truyÒn c«ng suÊt cã d¹ng: Trong ®ã: P(0): c«ng suÊt ë ®Çu sîi (z=0) P(z): c«ng suÊt ë cù ly z tÝnh tõ ®Çu sîi  : hÖ sè suy hao. Suy hao sợi quang hệ số suy hao tính bởi: Trong đó P1, P2 tương ứng là công suất vào, ra Hệ số suy hao trung bình: Suy hao sợi quang Các nguyên nhân: Do hấp thụ: sợi quang có lõi được chế tạo từ thuỷ tinh thường pha thêm các tạp chất như Fe, Cu,.. Các tạp chất này là nguồn hấp thụ ánh sáng. Do tán xạ: nói chung khi sóng điện từ truyền qua môi trường không đồng nhất sẽ gây nên tán xạ, ánh sáng sẽ bị toả ra các hướng và chỉ có một phần truyền theo hướng xác định Do uốn cong sợi Suy hao sợi quang Suy hao sợi quang Vïng cöa sæ 1: cã b­íc sãng 850nm, møc suy hao 1 dB/km Vïng cöa sæ 2: øng víi b­íc sãng 1310nm, cã hÖ sè suy hao 0.5 dB/km, Vïng cöa sæ 3: øng víi b­íc sãng 1550nm, cã hÖ sè suy hao nhá nhÊt 0.154 dB/km. Suy hao t¹i ba vïng cöa sæ nµy lµ thÊp nhÊt. ë ViÖt Nam th­êng dïng vïng cöa sæ thø ba (1550nm). Tán sắc sợi quang Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu chuyển động với tốc độ khác nhau. Tán sắc gây nên: Xung bị trải dài trên miền thời gian Các xung chồng chập lên nhau gây lỗi ISI Làm ảnh hưởng tới tốc độ và khoảng cách truyền thông Tán sắc sợi quang Tán sắc sợi quang Nguyên nhân: Tán sắc mode : năng lượng ánh sáng phân tán thành nhiều mode, mỗi mode truyền với vận tốc khác nhau. Tán sắc thể: tín hiệu quang truyền không phải là đơn sắc mà là khoảng bước sóng xác định. Tán sắc vật liệu: chiết suất vật liệu thay đổi theo bước sóng vậy nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo bước sóng. Phân loại sợi quang Phân loại theo chiết suất lớp lõi: Sợi có chiết suất nhảy bậc Sợi có chiết suất biến đổi đều Phân loại theo mode lan truyền: Sợi đơn mode (SM): chỉ có một mode truyền dẫn trên sợi Sợi đa mode (MM): tồn tại nhiều mode lan truyền trên sợi Phân loại theo vật liệu chế tạo: Sôïi thuûy tinh (All-glass fiber): loõi vaø lôùp boïc baèng thuyû tinh Sôïi plastic (All-plastic fiber): loõi vaø lôùp boïc ñeàu baèng plastic Sôïi PCS (Plastic-Cladded Silica): loõi baèng thuûy tinh, lôùp boïc laøm baèng nhöïa Sợi quang và các mode lan truyền n1 n2 n(r) a a b b r r sợi đa mode chiết suất nhảy bậc sợi đa mode chiết suất biến đổi sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc thiết bị phát quang gồm hai phần: mạch điều khiển và nguồn quang chức năng: chuyển đổi tín hiệu điện sang quang với công suất quang tỷ lệ với dòng điện. Ghép nối vào sợi quang nguồn phát quang Các yêu cầu với nguồn quang: bước sóng ánh sáng phát ra: phải có dải phù hợp Thời gian chuyển: tốc độ chuyển của nguồn quang phải cao thì mới đạt tốc độ truyền dẫn cao. Độ rộng phổ: càng hẹp càng tốt Các nguồn quang: LED(Diốt phát quang) Laser LED Nguyên tắc phát quang: dựa vào hiện tượng bức xạ tự phát hoặc kích thích của điện tử khi chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn. Được chế tạo từ vật liệu bán dẫn Độ rộng phổ rộng Chỉ phù hợp khi truyền với tốc độ chậm cự ly ngắn dùng sợi đa mode LASER Laser: Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation Có độ rộng phổ hẹp Bước sóng phát ổn định Được sử dụng đối với sợi đơn mode Cho phép sử dụng với hệ truyền dẫn với tốc độ cao và cự ly dài Cấu trúc phức tạp Nguyên lý hoạt động Laser Là kết quả của 3 quá trình: hấp thụ proton bức xạ tự phát bức xạ kích thích. Nguyên lý hoạt động Laser Hấp thụ: khi proton có năng lượng lớn hơn E2-E1 có thể bị hấp thụ bởi các điện tử tại mức nền và chuyển tới mức kích thích. Nguyên lý hoạt động Laser Bức xạ tự phát: Điện tử ở trạng thái kích thích có thể bị chuyển về trạng thái nền và phát ra proton có năng lượng hv=E2-E1 Nguyên lý hoạt động Laser Ánh sáng phát ra bởi bức xạ tự phát là đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên Chúng có thể được coi như nhiễu Nguyên lý hoạt động Laser bức xạ kích thích: nếu proton có năng lượng hv tác động vào hệ thống trong khi điện tử đang ở trạng thái kích thích thì điện tử sẽ bị rơi xuống trạng thái nền và phát ra proton có hướng cùng với hướng của proton tới. thiết bị thu quang chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thu được thành tín hiệu điện Là thiết bị ở cuối tuyến truyền dẫn, nơi thu nhậnmọi tác động trên toàn đưa tới nên hoạt độngcủa nó liên quan tới hoạt động của toàn bộhệ thống.  Yêu cầu với thiết bị thu quang Có tỷ số SNR lớn Có độ nhạy thu cao Hoạt động với băng tần lớn Thời gian đáp ứng nhanh Độ ổn định cao Giá thành rẻ thiết bị thu quang Bộ tách sóng photo điot PIN Điôt quang kiểu thác (APD Hệ thống quang WDM Thực chất, WDM là một cơ chế trong đó nhiều kênh sóng quang tại các bước sóng khác nhau được điềuchế bởi các chuỗi bit điện độc lập được phát đi trêncùng một sợi quang sau khi đã được ghép kênhbằng kỹ thuật TDM hoặc FDM. Tín hiệu quang tại đầu thu được giải ghép kênh thành các kênh riêng rẽ nhờ kỹ thuật quang. Kỹ thuật WDM khai thác băng tần rộng của sợi quang. Ví dụ: hàng trăm kênh 10 Gb/s có thể được truyền qua cùng một sợi khi khoảng cách kênh giảm xuống dưới 100 GHz. TĂNG DUNG LƯỢNG MẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO (TDM) Tốc độ bít cao hơn trên cùng sợi Các thiết bị điện ở tốc độ cao đắt NHIỀU SỢI QUANG Cùng tốc độ bít, nhiều sợi hơn Khó đưa vào thực tế Kỹ thuật đắt WDM Cùng sợi và tốc độ, nhiều ls Tương thích với sợi Sử dụng phần nhiều giải thông sợi Dễ dàng triển khai trong thực tế Giá thành đầu tư thấp Tận dụng được các thiết bị TDM có sẵn SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG HỆ THỐNG WDM Hệ thống WDM Phát tín hiệu: nguồn phát: các laser có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định. Hiện tại có các loại laser điều chỉnh bước sóng và laser đa bước sóng. Ghép tín hiệu: Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh quang. Bộ ghép này phải có suy hao suy hao nhỏ Truyền tín hiệu: tín hiệu sau khi được ghép sẽ được phóng vào sợi quang và truyền dẫn tới đầu thu. Hệ thống WDM Thu tín hiệu: Tại đầu thu các tín hiệu quang tổng hợp được tách ra thành từng kênh riêng rẽ nhờ bộ giải ghép WDM. Hệ thống WDM Phân loại: hệ thống WDM đơn hướng hệ thống WDM song hướng Các loại ghép WDM Dùng cho truyền dẫn đơn hướng: bộ ghép (MUX) và giải ghép (DEMUX) Dùng cho truyền dẫn song hướng bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) Ưu điểm WDM Dung lượng truyền dẫn lớn Loại bỏ yêu cầu khắt khe với hệ thống đơn kênh tốc độ cao. Linh hoạt cao khi muốn tăng dung lượng hệ thống. Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo Giảm chi phí đầu tư mới Hạn chế WDM Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang Hiện nay DWDM Chi phí vận hành bảo dưỡng cao do có nhiều hệ thống cùng hoạt động Khuếch đại quang Trên tuyến truyền dẫn thông tin quang các bộ khuếch đại quang dùng để bù suy hao, bù tán sắc. Có thể thực hiện theo 2 cách: Chuyển đổi tín hiệu quang thành điện, khuếch đại tín hiệu điện rồi lại chuyển thành tín hiệu quang Khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp (khuếch đại quang sợi) Hiện tại khuếch đại quang đều được thực hiện trực tiếp. Hiện nay hầu hết sử dụng EDFA (Erbium-Dopped Fiber Amplifier ): khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố Ebrium. Cấu trúc EDFA Một đoạn sợi quang pha tạp Er (10-50m) Coupler: dùng để ghép nguồn laser bơm và tín hiệu quang tới. Isolator: bộ cách ly , chống phản xạ tín hiệu chỉ cho phép truyền đơn hướng Laser bơm: hoạt động bước sóng 980nm hoặc 1480nm Nguyên tác hoạt động EDFA Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong 3 hay 4 mức. Nguyên tác hoạt động EDFA Khi mét nguån b¬m photon b­íc sãng 980nm hoÆc 1480nm ®­îc b¬m vµo lâi sîi ®Æc biÖt nµy, c¸c ion Er3+ sÏ hÊp thô c¸c photon ®ã mét ®iÖn tö cña nã chuyÓn møc năng l­îng tõ møc c¬ bản E1 lªn møc kÝch thÝch E2; do tån t¹i mét møc năng l­îng siªu bÒn E3 ë giữa nªn c¸c ®iÖn tö nµy chuyÓn xuèng møc năng l­îng E3 theo c¬ chÕ ph©n r· kh«ng bøc x¹ (thả kh«ng bøc x¹ xuèng E3), sau mét khoảng thêi gian 10ns, ®iÖn tö ®­îc kÝch thÝch nµy r¬i trë l¹i møc E1, vµ ph¸t x¹ ra photon. Nguyên tác hoạt động EDFA HiÖn t­îng bøc x¹ binh th­êng cã thÓ lµ bøc x¹ tù ph¸t (lµ c¬ chÕ binh th­êng khi ®iÖn tö nhảy møc năng l­îng) hoÆc bøc x¹ sÏ xảy ra m¹nh theo c¬ chÕ bøc x¹ kÝch thÝch; tøc lµ do sù cã mÆt cña c¸c photon mang năng l­îng b»ng víi năng l­îng dÞch chuyÓn møc cña c¸c ®iÖn tö (trong EDFA thi ®ã lµ photon cña tÝn hiÖu ®­îc khuÕch ®¹i) sÏ kÝch thÝch sù ph¸t x¹ vµ t¹o ra thªm nhiÒu photon tû lÖ víi sè photon cña chïm s¸ng. Nho tap Erbium, bøc x¹ nµy ë vïng b­íc sãng 1550nm. Nhê vËy, tÝn hiÖu ®­îc khuÕch ®¹i khi ®i qua sîi pha t¹p Erbium. Ứng dụng EDFA trong WDM Làm bộ tiền khuếch đại (PA: Pre - amplifier) Làm bộ khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier) Khuếch đại đường truyền (LA: Line Amplifier) Cả 3