Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 1 tổng quan về kỹ thuật thông tin quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

Tin
Q
uan
g
–Khoa Vi
ễ
n thôn
g
2
ộ
gQg
g
Email: ,
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 1
T
Ổ
NG QUAN V
Ề
T
Ổ
NG

QUAN

V
Ề

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1
•
Lị
ch s
ử phá
ttri
ể
n
Lị
ch

s
ử

phá
t

tri
ể
n
• Mô hình chung của hệ thống TTQ
•
M
ộ
ts
ố
v

ấ
n
đề
v
ề
quang v
ậ
t
lý
trong TTQ
•
M
ộ
t

s
ố

v
ấ
n

đề

v
ề

quang

v

ậ
t

lý

trong

TTQ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Lịch Sử Phát Triển
• 1790: Claude Chappe (Pháp)
 Điện báo quang
 200km trong vòng 15 phút
• 1870: John Tyndall (Anh)
ể ẫ
 Chứng minh ánh sáng có th
ể
d
ẫ
n theo vòi nước bị uốn
cong
Æ
Định
luật
phản
xạ
toàn

phần
Æ
Định
luật
phản
xạ
toàn
phần
• 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ)

Photophone
:
không
thành
công
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 HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Lịch Sử Phát Triển
• 1934: Norman R.French (Mỹ)
 Nhậnbằng sáng chế về hệ thống thông tin quang
 Dùng thanh thủy tinh để truyền ánh sáng

Æ Môi trường truyền ánh sáng thích hợp
1958
ASh l
à
Ch l
HT
(
Mỹ
)
•
1958
:
A
.
S
c
h
aw
l
ow v
à
Ch
ar
l
es
H
.
T
ownes
(

Mỹ
)
 Xây dựng và phát triểnlaser

Ứng
dụng
trong
nhiều
lĩnh
vực
:y
học
quân
sự

Ứng
dụng
trong
nhiều
lĩnh
vực
:

y

học
,
quân
sự
…

ÆNguồn quang dùng trong thông tin quang
•
1966
:Charles
HKao
và
George A
Hockham
(
Mỹ
)
•
1966
:

Charles

H
.
Kao
và
George

A
.
Hockham
(
Mỹ
)
 Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng


Suy
hao
lớn
(>
1000
dB/km)
Suy
hao
lớn
(

>

1000
dB/km)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Lịch Sử Phát Triển
• 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ)
 Chế tạo sợi SI có suy hao < 20dB/km, tại λ=633nm
Æ
T
hông 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
=
1550
nm
hao
~
0
.
2

dB/km

tại

λ
=
1550
nm
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Sơđồ khốicơ bản, gồm có:
 Bộ phát quang (E/O)
 Bộ thu quang (O/E)
 Môi trường truyềndẫnlàcápsợi quang.

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Chứcnăng chính các khối
 KhốiE/O: điềuchế tín hiệu điện thành tín hiệu quang
 Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
 Cáp sợi quang: môi trường truyềndẫntínhiệu quang từ
đ
ầ
u
phá
t
đế
n
đ
ầ
u
thu
đ
ầ
u
phá
t
đế
n
đ
ầ
u

thu
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Trạmlặp (repeater)
 Khuếch đạitínhiệu bị suy yếudo suyhaotrênsợi quang

T
rạmlặplàmviệctheonguyênly
́
: quang
–
điện
–
quang
(O – E – O)
Nà
i
đê
̉
kh
ế
h
đ
i
tí
hi

ệ
ò
ó
th
ê
̉
ư
̉
N
go
à
i
ra,
đê
kh
u
ế
c
h
đ
ạ
i
tí
n
hi
ệ
u quang c
ò
nc
ó

th
ê
s
ư
dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ
khuếch đại quang làm việctrongmiền quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Nguyên tắctruyềntin:
 Tín hiệutruyền có tầnsố trong miền quang.
 Có thể truyềnhaihướng trên mộtsợi quang.
T
hông
thường sử dụng 2 sợi quang cho mộttuyếnvà chỉ
truy
ề
n
m
ộ
t
h
ướ
ng
trên
1
s

ợ
i
quang
.
truy
ề
n
m
ộ
t
h
ướ
ng
trên
1

s
ợ
i
quang
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Ưu điểm của hệ thống TTQ:
 Suy hao thấp
 Dải thông rộng
 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ

Hà tà áhđiệ

H
o
à
n
t
o
à
n c
á
c
h

điệ
n
 Không bị can nhiễu của trường điện từ

Xuyên âm giữacácsợi quang không đáng kể

Xuyên

âm

giữa

các

sợi

quang

không

đáng

kể
 Tính bảo mật cao
 V
ậ
t li
ệ
u chế t
ạ
o có nhiều tron
g
t
ự
nhiên
ậ ệ ạ g ự
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Nhược điểm của hệ thống TTQ:
 Vấn đề biến đổi quang điện.
 Hàn nối, đo thử sợi quang đòi hỏi thiết bị chuyên dụng
đắt tiền.


An toàn lao động

An

toàn

lao

động
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Các khái niệm chung:
 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)
T
A
λ
A
t(s)
z (m)
(a)
(b)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP

BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Các khái niệm chung (tt):
 Bước sóng:
• Ký hiệu: λ
• Đơn vị: m
»
Theo không gian: λ -bước sóng (m)
f
C
=
λ
T
A
λ
A
f
t(s)
z (m)
(
a
)
(b)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
()
(b)

Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Ánh sáng có hai tính chất:
 Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ
 Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có
năng lượng E
năng

lượng

E
» E = hf hay
(
)
(eV)
μm
λ
1,24
E =
(
)
μm
λ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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 HỢP

BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Phổ sóng điện từ (tt):
 Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến
780
(đỏ)
780
nm
(đỏ)

Á
nh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng

Á
nh

sáng

dùng

trong

thông

tin

quang

nằm

trong

vùng

cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-1600nm) Æ
không thấy được
 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng
trong thông tin quang:
850
nm
1300
nm và
1550
nm
trong

thông

tin

quang:

850

nm
,
1300

nm

và

1550

nm
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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:
 Chiết suất của môi trường: n = C/v
C: vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.10
8
m/s
v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét
 Chiết suất của một vài môi trường thông dụng:
• Không khí: n = 1,00029 ≈ 1,0
Nướ
4
/
3
1
33
•
Nướ
c: n =
4
/

3

≈
1
,
33
• Thủy tinh: n = 1,48
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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):
 Ðịnh luật phản xạ ánh sáng:
•
T
ia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới
• Góc phản xạ bằng góc tới (θ
1
'
= θ
1
)
Tia tới
Tia phản xạ
Môi trường 1
Môi trường 2
n
1
n

2
1
2
1
'
2
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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):
 Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng:
•
T
ia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.
• Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:
»
n
1
sinθ
1
= n
2
sinθ
2
Tia tới
Tia phản xạ
Tia

tới
Môi trường 1n
1
1
1
'
Môi trường 2n
2
2
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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):
 Phản xạ toàn phần (total reflection):
•
T
oàn bộ tia tới quay trở lại môi trường tới.
• Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần:
» n
1
> n
2
là ó
i
ớ
i

h
i
/
1
2
»
θ
1
> θ
c
θ
c
là
g
ó
c g
i
ớ
i

h
ạn; s
i
n
θ
c
= n
2
/
n

1
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ 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):
 Khi xảy ra hiện tượng pxtp, năng lượng ánh sáng được
bả àh hớ ề
bả
o to
à
n t
h
eo
h
ư
ớ
ng truy
ề
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 HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 22