Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang - Bài 3: Các thông số của sợi quang pptx

KYế THUAT THONG TIN QUANGKYế THUAT THONG TIN QUANG
Baứi 3:
CA

CTHO

NG SO

CU

ASễIQUANG
CAC

THONG

SO

CUA

Sễ
ẽ
I

QUANG
NỘI DUNG
 Suy hao (Attenuation)
 Tán sắc
(
Dis
p
ersion

)
(p )
 Thiết kế tuyến truyền dẫn quang

Ba
ø
itập

Bai

tập
SUY HAO (ATTENUATION)
 Đònh nghóa:
P
2
= P(L)
P
1
= P(0)
L
L
⋅
α
P(
0
)
:
co
â
ng

sua
á
t
ơ
û
đa
à
u
sơi
(z
=
0
)
;
(
W,
mW
,
μ
m
…
)
10
10)0()(
L
PLP
−
×=
α
P(

0
)
:
cong
suat
ơ
đau
sơ
ï
i
(z
0
)
;
(
W,
mW
,
μ
m
…
)
P(L): công suất ở cự ly z=L tính từ đầu sợi; (
W, mW,
μm…)
α : hệ số su
y
hao trun
g
bình;

(
dB/km
)
SUY HAO (ATTENUATION)
- ẹoọ suy hao cuỷa sụùi quang:
A
dB
P
(
)
l
10
1
(
mW
)
A(
dB
)=P
(
dBm
)
P
(
dBm
)
A
dB
P
(

)
l
g
=
10
1
2
(
mW
)
(
mW
)
A

(
dB
)

=

P
1
(
dBm
)
-
P
2
(

dBm
)
- Heọ soỏ suy hao hay suy hao trung bỡnh:

(/ )
()
()
dB Km
A
d
B
LKm
=
SUY HAO (ATTENUATION)
- Coâng thöùc logarit:
l
g
l
g
l
g
l
g
l
g
l
g
ab a b
a
ab

b
=
+
=
−
ggg
lg lg
b
b
aba=
- Ñôn vò tính coân
g
suaát (dBW, dBm, …)
P(dBW) = 10.lgP(W)
P(dB
)10lP(
W)
P(dB
m
)
=
10
.
lgP(
m
W)
P(dBμ) = 10.lgP(μW)
…
SUY HAO (ATTENUATION)
 Các nguyên nhân gây ra suy hao:

− Suy hao do hấp thụ (Absorption)
+ Hấp thụ tạp chất kim loại: độ suy hao phụ thuộc vào
o Loại tạp chất: Cu, Fe, Mn, …
o Nồn
g
đo
ä
ta
p
chất Ỉ
g
iá tr
ò
cho
p
hé
p
<10
-9
gä
ï
p
gò pp
o Bước sóng ánh sáng
600
α (dB/Km)
300
400
500
600

Cu
nồng độ độ tạp chất 10
-6
0
100
200
Fe
Mn
500 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)
SUY HAO (ATTENUATION)
+ Hấp thụ ion OH
-
: độ suy hao phụ thuộc vào
o Nồng độ ion OH
-
Ỉ giá trò cho phép <10
-9
o
Bươ
ù
cso
ù
ng a
ù
nh sa
ù
ng: đỉnh suy hao tai bươ
ù
cso
ù

ng ga
à
n
950nm
o
Bươc

song

anh

sang:

đỉnh

suy

hao

ta
ï
i

bươc

song

gan

950nm

,
1240nm và 1400nm
Ỉ Độ ẩm là một nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang
3
α (dB/Km)
nồng độ ion OH
-
10
-6
2
1
0
0
600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)
SUY HAO (ATTENUATION)
+ Hấp thụ tử ngoại và hồng ngoại:
o Suy hao do bản chất của vật liệu chế tạïo (thủy tinh)
o Phụ thuộc bước són
g
ánh sán
g
: su
y
hao thấ
p
nhất tại bước són
g
ggyp g
1550nm đối với sợi
q

uan
g
bằn
g
thủ
y
tinh (khoản
g
0.2 dB/km)
Ỉ Giới hạn hệ số suy hao tối thiểu của sợi quang
Ỉ Làm cách nào để có thể chế tạo sợi quang có suy hao nhỏ hơn
0 2dB/km (ví du 0 001dB/km)?
0
,
2dB/km

(ví

du
ï
0
,
001dB/km)?
100
α (dB/Km)
Hấp thụ hồng ngoại
100
10
1
Hấp thụ cực tím

0.1
0.01
600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)
SUY HAO (ATTENUATION)
− Suy hao do uoán cong
+ Uoán cong (macro bend)
+ Vi uoán cong (micro bend)
SUY HAO (ATTENUATION)
− Suy hao do tán xạ Rayleigh (Rayleigh Scattering)
+ Khi són
g
điện từ tru
y
ền tron
g
môi trườn
g
điện môi
g
ặp
nhữn
g
chỗ khôn
g
đồn
g
nhất (có kích thước của khoản
g

1/10 bước sóng) sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ.

+
Như
õ
ng cho
ã
kho
â
ng đo
à
ng nha
á
t:
+
Nhưng

cho

khong

đong

nhat:
o Do cách sắp xếp không đồng nhất của nguyên tử thủy tinh
o Botï không khí
Vá ù
o
V
e
á
t nư

ù
t
…
SUY HAO (ATTENUATION)
+ Các tia sáng truyền qua những chổ không đồng
nhất sẽ tỏa ra nhiều hướng:
Ỉ
Một pha
à
nna
ê
ng lương a
ù
nh sa
ù
ng bò pha
â
nta
ù
n ra nhie
à
u
Ỉ
Một

phan

nang

lươ

ï
ng

anh

sang

bò

phan

tan

ra

nhieu

hướng khác nhau không truyền đi xa được (khúc xạ ra
ngòai lớp bọc, truyền ngược về đầu sợi quang…)
Ỉ
Ga
â
y ra suy hao cho sơi quang
+
Ứng dụng trong máy đo quang dội OTDR
(Optical Time Domain Reflectometer)
Ỉ
Gay

ra

suy

hao

cho

sơ
ï
i

quang
SUY HAO (ATTENUATION)
 Đặc tuyến suy hao:
− Tổng hợp các đặc tuyến suy hao của các nguyên nhân
g
â
y
ra su
y
hao khác nhau
− Khác nhau tùy theo loại sợi
Dâđ áhøøbùù(û
−
D
ựa tre
â
n
đ
ặc tu

y
e
á
n su
y

h
ao na
øy
, vu
ø
n
g

b
ươ
ù
c so
ù
n
g

(
cư
û
a
sổ bước sóng) sử dụng được xác đònh
−
3cư
û

aso
å
bươ
ù
cso
ù
ng:
3

cưa

so

bươc

song:
+ 850nm
+ 1300nm
1550
+
1550
nm
SUY HAO (ATTENUATION)
1978
TÁN SẮC (DISPERSION)
 Đònh nghóa:
L
ø
hi ä tươ khi đư ät
ù

h
ù
h
ø
đ
à−
L
a
hi
e
ä
n
tươ
ïn
g

khi

đư
a mo
ät
xun
g
an
h
san
g

h
ẹp vao

đ
au
sợi quang lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở
cuối sợi
L
P
i
P
i
/2
P
o
P
o
/2
− Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang:
L
τ
i
τ
o
22
oi
D
τ
τ
=
−
TÁN SẮC (DISPERSION)
 Nguyên nhân gây ra tán sắc:

− Do sự chênh lệch về thời gian truyền của các tia sáng
(ù d ù)
Ỉ
tù é d đừ t à h
tù
(
ca
ù
c mo
d
e so
ù
n
g)

Ỉ
t
a
ù
n sa
é
c
d
o
đư
ơ
ø
n
g

t
ru
y
e
à
n
h
a
y

t
a
ù
n
sắc mode (modal dispersion)
− Ánh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảng
bước són
g
+ vận tốc tru
y
ền pha của mỗi bước són
g
lại
khác nhau Ỉ thời gian truyền của các bước sóng khác
nhau Ỉ tán sắc sắc thể (chromatical dis
p
ersion)
p
+ Tán sắc chất liệu (material dispersion)
+ Tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion)

TÁN SẮC (DISPERSION)
 Tán sắc tổng cộng (Total Dispersion):
22 22
DDD ddd
=+ =+
Với: D
ch
r
= D
ma
t
+ D
w
g

d
ch
r
= d
ma
t
+ d
w
g
mod mod

tchrtchr
DDD ddd
=+ =+
g

g
D
x
= L.d
x
d
mat
= M. Δλ
Trong đó:
ééåáã
D
x
: tán sa
é
c x (mod: mode; chr: sa
é
c the
å
; mat: cha
á
t liệu; wg: da
ã
n
sóng) trên một đoạn chiều dài L (ns)
d
x
: tán sắc đơn vò (ns/km)
M : tán sắc chất liệu đơn vò (ns/km.nm)
Δλ: độ rộng phổ của nguồn quang (nm)
TÁN SẮC (DISPERSION)

 nh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối
đa của sợi quang:
11
Trong đó:
éå à
max max
11

44
t
t
Br Br D
D
Br
≤= =
D
t
: tán sa
é
c to
å
ng cộng của sợi quang có chie
à
u dài L (ns)
D
tmax
: tán sắc tổng cộng tối đa cho phép của sợi quang dài L (ns)
Br
max
: tốc độ bit tối đa có thể truyền qua sợi quang dài L (Gb/s)

max

Br : tốc độ bit truyền thực tế qua sợi quang dài L (Gb/s)
Br = R × (hệ số mã hoá)
R: to
á
c độ bit danh đònh (tín hiệu chưa qua ma
õ
hoa
ù
)
R:

toc

độ

bit

danh

đònh

(tín

hiệu

chưa

qua

ma

hoa)
Hệ số mã hoá: phụ thuộc vào loại mã đường truyền
THIE
Á
TKE
Á
THIET

KE

TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
 Tính toán một tuyến truyền dẫn quang có thể
được tiến hành theo hai hướng sau:
− Tính khoảng cách có thể lắp đặt giữa hai trạm khi biết
tốc độ bit cần truyền dẫn và đặc tính của các phần tử
trong tuye
á
n
trong

tuyen
Ỉ xác đònh số lượng và vò trí các trạm lặp trên tuyến
−
Tính giơ
ù
i han đặc tính cu
û

aca
ù
c pha
à
ntư
û
khi bie
á
tto
á
c độ
Tính

giơi

ha
ï
n

đặc

tính

cua

cac

phan

tư

khi

biet

toc

độ

và cự ly cần truyền
Ỉ chọn loại sợi quang, thiết bò thu phát quang
THIE
Á
TKE
Á
THIET

KE

TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
 Khoảng cách có thể lắp đặt giữa hai trạm phụ
thuộc vào:
− Loại thiết bò truyền dẫn quang
+ Bước sóng ánh sáng
+
C
âá
th
ù
t

+
C
ong sua
t
p
h
a
t
+ Độ nhạy, dải động thu quang
+ Độ rộng phổ nguồn quang
− Loại sợi quan
g
, cáp sợi quan
g
được sử dụn
g
− Các mối hàn, nối
Dhø â á
−
D
ự p
h
o
ø
n
g
co
â
n
g

sua
át
THIE
Á
TKE
Á
THIET

KE

TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
Connector
Ma
ù
y pha
ù
t
Connecto
r
Connecto
r
 Mô hình một tuyến truyền dẫn quang:
Phát quang Thu quang
May

phat
Adaptor Adaptor
Điểm tham chiếu S Điểm tham chiếu R
ODF ODF
APDLD

Cé
Cé
Cé
C
é
Mối hàn Mối hàn
C
a
é
m
C
a
é
m
C
a
é
m
C
am
Da
â
y nha
û
y
Da
â
y nha
û
y

Da
â
yno
á
i
Da
â
yno
á
i
Ca
ù
p đươ
ø
ng truc
Day

nhay
quang
FC/FC
Day

nhay
quang
FC/FC
Day

noi
quang
Day

noi
quang
Cap

đương

tru
ï
c
THIE
Á
TKE
Á
THIET

KE

TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
Côn
g
suất n
g
uồn
q
uan
g

p
hón

g
vào sợi
P(dBm)
 Phân bố suy hao trên tuyến:
Su
y
hao của connector

Su
y
hao của mối hàn
Su
y
hao của sợi
Su
y
hao của connector
ổ
n
g
su
y
hao
Côn
g
suất thu
Đ
ộ dự
p
hòn

g
T
ổ
Cự l
y
tối đa (km)
Độ nhạy của
máy thu

1(km)
THIE
Á
TKE
Á
THIET

KE

TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
 Điều kiện để có thể lắp đặt hai trạm được mà
không cần trạm lặp:
ààá
− Đie
à
u kiện ve
à
côn
g
sua
á

t: P
Rmin
< P
thu
< P
Rmax
Ỉ Quỹ công suất
−
Đie
à
u kiện ve
à
độ nơ
ù
i rộng xung:
t
<t
Đieu

kiện

ve

độ

nơi

rộng

xung:

t
HT
<

t
max
Ỉ Quỹ thời gian tăng của xung
max
1
4
t
Br Br
D
≤=
 Với tốc độ bit cho trước, tính khoản
g
cách tối đa có
thể lắp đặt hai thiết bò được mà không cần trạm lặp
Tu
ø
y theo đòa hình quy hoach kha
û
na
ê
ng qua
û
nly
ù
vận


Tuy

theo

đòa

hình
,
quy

hoa
ï
ch
,
kha

nang

quan

ly
,
vận

hành thiết bò, khoảng cách lắp đặt cho phép Ỉ số
lượng và vò trí lắp đặt trạm
BÀI TẬP 1
Một tuyến quang dài L=15km, dùng sợi quang SI (50/125μm) có độ
chênh lệch chiết suất tương đối Δ=1%, chiết suất lõi n

1
=1.48. Sợi quang
có su
y
hao trun
g
bình
α
=4dB/km
(
tai λ=850nm
)
hoa
ë
c
α
=2
,
4dB/km
(
tai
y
g
(
ï
)
ë
,
(
ï

λ=1300nm), hệ số tán sắc chất liệu M=130ps/nm.km (tại λ=850nm)
hoặc M=10ps/nm.km (tại λ=1300nm).
N
g
uồn
q
uan
g
đươc s
ư
ûdun
g
LED
p
hát ra ánh sán
g
có bước són
g
850nm
g
qg
ïï
g
p
g
g
có công suất phát quang 4mW, độ rộng phổ Δλ=35nm.
Bộ thu quang sử dụng PIN có độ nhạy -45dBm
Bie
á

t
ra
è
ng
cư
ù
2
km
co
ù
một
mo
á
i
ha
ø
n
co
ù
suy
hao
0
1
dB/mo
á
i
ha
ø
n
Biet

rang
cư
2
km
co
một
moi
han
co
suy
hao
0
,
1
dB/moi
han
Suy hao ghép quang ở đầu phát là 13dB, đầu thu là 10dB.
BÀI TẬP 1
a. Tính công suất quang tại điểm 1km, 7km và 12km kể từ đầu phát
b. Tuyến quang trên có cần trạm lặp hay không? Nếu có hãy tính
so
á
tram
lặp
ca
à
n
sư
û
dung

khoa
û
ng
ca
ù
ch
giư
õ
a
ca
ù
c
tram
lặp
Ve
õ
hình
so
tra
ï
m
lặp
can
sư
du
ï
ng
,
khoang
cach

giưa
cac
tra
ï
m
lặp
.
Ve
hình
minh hoạ và chú thích.
c. Với chiều dài trên, tốc đô bit cực đại có thể truyền được của
tuye
á
n
quang
la
ø
bao
nhie
â
u?
Bo
û
qua
a
û
nh
hươ
û
ng

cu
û
a
ta
ù
n
sa
é
c
o
á
ng
tuyen
quang
la
bao
nhieu?
Bo
qua
anh
hương
cua
tan
sac
ong
dẫn sóng. Mã đường truyền là NRZ.
d. Thay nguồn quang LED phát ra ánh sáng có bước sóng 1300nm,
co
â
ng

sua
á
t
pha
ù
t
quang
1
mW
Δλ
=
35
nm
Ho
û
i
tuye
á
n
quang
tre
â
n
co
ù
cong
suat
phat
quang
1

mW
,
Δλ
=
35
nm
.
Hoi
tuyen
quang
tren
co
thể hoạt động được không? Tại sao?
e. Nhận xét kết quả ở hai câu b và d.