hệ thống thông tin quang - thiết bi tuyến cáp quang Hà Nội hải Phòng

LỜI MỞ ĐẦU

Yếu tố thời gian đóng vai trò quyết định trong thơng tin .Ai nắm được
thơng tin trước người đó sẽ có tất cả .Để tăng tốc độ truỳên tin và tăng lượng tin
được truyền đi trong cùng một lần trên đường truyền hay dải thơng tin
(Bandwith), người ta đã đưa cơng nghệ thơng tin quang và cáp quang vào hệ
thống viễn thơng. Với những ưu điểm tuyệt vời như dải thơng tin lớn, tốc độ
truyền tin rất nhanh, khơng bị ảnh hưởng bởi những tín hiệu điện từ trong khơng
gian và ngược lại. Nó cũng khơng phát ra các tín hiệu điện từ làm nhiễu các thiết
bị xung quanh, ngun liệu sẵn có và có nhiều. Cáp quang là giải pháp tuyệt vời
để giải quyết những vấn đề mà các phương tiện truyền dẫn khác dường như
chịu bó tay. Trong hệ thống thơng tin quang, tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng
ánh sáng (photon) và mơi trường truyền dẫn là cáp sợi quang. Cáp quang là
phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong mạng th bao nói riêng và các
mạng khác nói chung. Cơng nghệ mới này là phương tiện truyền dẫn an tồn
nhất trong mọi điều kiện thời bình cũng như thời chiến, đặc biệt là chiến tranh
điện tử. Nó đóng vai trò đa năng, truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thơng với chất
lương cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu, phục vụ hội nghị truyền
hình, truy nhập dữ liệu từ xa và dẫn các tệp thơng tin đa phương tiện. Trong
tương lai cáp quang sẽ dần thay thế những đơi dây kim loại cồng kềnh, tốn kém.
ở nước ta do nhận thức được tầm quan trọng của cơng nghệ thơng tin
quang nên nó đã nhanh chóng được ứng dụng trong và ngồi qn đội. Một loạt
những tuyến cáp quang mới được hình thành và đi vào khai thác như tuyến cáp
quang Bắc Nam gồm tuyến chơn dưới đất theo quốc lộ 1A và tuyến treo theo
đường dây 500KV với dung lương 1,5 Gb, tương đương với 3.000 kênh thỏi trên
một đơi sợi quang, tạo và 4 vòng truyền dẫn và hình thành sa lộ thơng tin trong
nước.
Từ những nhận xét trên cho thấy hệ thống thơng tin với cáp quang làm
phương tiện truyền dẫn là một ứng dụng nhằm tối ưu hố mạng lưới viễn thơng,
đem lại cho con người những lợi ích khơng thể phủ nhận được. Chính vì vậy em
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

ó chn ti H thng thụng tin quang - Thit k tuyn cỏp quang H Ni
- Hi Phũng. Sau thi gian nghiờn cu em vit bỏo cỏo thc tp ỳc kt li
nhng gỡ mỡnh ó hiu c v TH thụng tin quang, mc dự nú mi ch l nhng
kin thc c bn, cha i sõu vo ti nhng chc chn s giỳp em rt nhiu
trong quỏ trỡnh lm ỏn sau ny.
Em rt mong nhn c s phờ bỡnh gúp ý ca thy cụ v bn bố em
cú th lm ỏn c tt hn.



PHN A: THễNG TIN QUANG
CHNG I: TNG QUAN V CP QUANG
I. Cu to si quang:
T si quang cú ngha l si mnh dn ỏnh sỏng bao gm hai cht
in mụi trong sut khỏc nhau (cht in mụi thu tinh hay nha ) mt phn cho
ỏnh sỏng truyn trong ú (l cỏc tia nhỡn thy v cỏc tia hng ngoi) gi l lừi
si, phn cũn li l lp v bao quang lừi. Vt liu cu to lừi si thụng thng l
thu tinh cũn v phn x cú th l thu tinh hay cht do trong sut.
Lừi cú chit sut n
1
, v cng l vt liu dn quang chit sut n
2
. ỏnh sỏng cú
th phn x c ton phn trong si quang thỡ n
2
< n
1
. Vi bỏn kớnh lừi l a ta
cú:
lch chit sut tng i =

1
21
1
n
nn
n
n
=


lch chit sut n = n
1
n
2
Hai tham s ny quyt nh c tớnh truyn dn ca si quang
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
II. Phân loại sợi quang
Sợi quang được phân loại theo
nhiều cách như phân loại theo
vật liệu điện môi sử dụng,
mode truyền dẫn, phân bố chiết
suất khúc xạ của lõiv.v... Việc
phân loại có thể tóm tắt trong
bảng sau:
Phân loại theo vật liệu
điện môi
Sợi quang thạch anh
Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa
Phân loại theo mode lan truyền

Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố Sợi quang chiết suất

1. Các loại sợi đa mode và đơn mode
Trên hình 1.2 là sự lan truyền ánh sáng trong các loại sợi khác nhau. Đặc
điểm của sợi đa mode là truyền dẫn đồng thời nhiều mode còn sợi đơn mode chỉ
truyền dẫn một mode.
Khi hiểu mode là các tia sáng thành phần thì trên hình vẽ ta thấy, trong sợi
đa mode nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, còn trong sợi
đơn mode chỉ có một tia chạy trong sợi
Hình 1.2: Lan truyền ánh sáng trong các sợi khác nhau
Theo sự biến thiên chiết suất bên trong ruột sợi như đã có ở phần phân loại
ta có sợi có chiết suất bậc SI (Step Index) và sợi có chiết suất biến thiên đều
GI(Gran Index). Trong sợi SI, chiết suất của một n
1
không thay đổi và n
1
> n
2

của vỏ nên tại mặt phân cách vỏ- ruột chiết suất có bước nhảy. Trong sợi GI
chiết suất n
1
của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần cho đến mặt
phân cách vỏ ruột thì bằng giá trị n
2
của vỏ. Sợi đơn mode được chế tạo là sợi
SI. Có thể chia các loại sợi quang thành 3 loại:
+ Sợi đa mode chiết suất bậc: SI-MM (Multi Modes)

+ Sợi đa mode chiết suất biến đổi: GI - MM.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
+ Si n mode chit sut bin i: SI - SM( Single Mode)
2. Vt liu ch to v c tớnh c hc ca si dn quang
phn trờn ta ó xem xột c bn v cu trỳc si quang. Nhỡn chung chỳng
cú cu to gm lừi v v phn x to nờn si dn quang di v mnh. Chỳng cú
vai trũ truyn tớn hiu thụng tin cho c ly xa v tc ln nờn phi c cu to
bng cỏc vt liu phự hp vi bn cht truyn ca chỳng. Chớnh vỡ lý do ú m
vt liu ch to ch yu l thu tinh nh si thu tinh thch anh, si thu tinh
Halogen, si thu tinh tớch cc. V cỏc loi si v l cht do PCS.
c tớnh c hc:
Ngoi c tớnh truyn dn ca si quang thỡ cỏc c tớnh c hc cng úng
vai trũ rt quan trng. Sc bn v l hai c tớnh c hc c bn ca si dn
quang. Bi trong lỳc bc cỏp v lp t, cỏp ti trng tỏc ng vo si cú th
dng xung lc hoc thay i t t. Khi cỏp c khai thỏc trờn tuyn thỡ ti
trng thay i rt chm cú th nh hng ca t
0
thay i, s khụng n nh ca
mụi trng.
III. Nguyờn lý lan truyn ỏnh sỏng trong si quang
1. Cỏc c im ca ỏnh sỏng
ỏnh sỏng truyn thng trong mụi trng chit sut khỳc x ng nht, b
phn x hoc khỳc x ti biờn ngn cỏch ỏnh sỏng gia hai mụi trng cú chit
sut khỳc x khỏc nhau. S truyn thng, khỳc x v phn x l 3 c tớnh c
bn ca ỏng sỏng.
Hỡnh 1.3: Hin tng khỳc x v phn x ỏnh sỏng
Xột tia sỏng (1) i t mụi trng chit sut n
1
sang mụi trng chit sut n
2

vi n
1
< n
2
. Ti mt phõn cỏch gia hai mụi trng xy ra hin tng. Mt phn
ỏnh sỏng phn x li mụi trng lan truyn mt phn khỳc x sang mụi trng
n
2
.
Khi gúc ti ln dn lờn ti mt gúc
c
s to ra tia khỳc x nm song
song vi ranh gii phõn cỏch 2 mụi trng thỡ khi ú
c
l gúc gii hn. Lỳc
ny khụng tn ti tia khỳc x mụi trng n
2

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Hin tng tia sỏng phn x tr li mụi trng ban u ti mt phõn cỏch
gi l hin tng phn x ỏnh sỏng ton phn. Lỳc ny gúc khỳc x= 90
0

Khi ú: Sin
c
=
1
2
n

n

Mt c im quan trng trong khỳc x l vn tc ỏnh sỏng thay i theo
chit sut khỳc x ca mụi trng m ỏnh sỏng lan truyn qua. Nu cho vn tc
ỏnh sỏng trong khụng khớ l V thỡ vn tc ca nú trong mụi trng cú chit sut
n
1
v n
2
tng ng l v/n
1
v v/n
2

2. Quỏ trỡnh a ỏnh sỏng vo si quang
ỏnh sỏng c phỏt ra t ngun phỏt quang b khuych tỏn do nhiu x.
Mun a ỏnh sỏng vo lừi ca si cn phi tp trung ỏnh sỏng. Tuy nhiờn
khụng phi tt c ỏnh sỏng c tp trung u cú th a vo si m ch mt
phn gúc ti nm trong mt gii hn nht nh mi cú th a c vo lừi
quang.
im a vo si quang c chia thnh 3 mụi trng lin nhau cú chit
sut khỳc x khỏc nhau. ú l mụi trng khụng khớ, lừi v v ca si quang cú
giỏ tr chit sut ln lt l n
0
(-1), n
1
v n
2
.
õy gúc nhn ln nht l

max
l gúc m i vi tia s (2) cú gúc ti bng
gúc ti hn
c
.
Ti biờn ca khụng khớ v lừi, lừi v v ỏp dng nh lut Smell cho ta hai
phng trỡnh:
Sin
max
= n
1
Sin
c
.
Sin (90
0
-
c
)= Cos
c
=
1
2
n
n

Khi n
1
= n
2

thỡ gúc m c tớnh : Sin
max
=
2
2
2
1
nn
= n
1


Trong ú = (n
1
- n
2
)/n
1
: lch chit sut tng i
Cỏc tia sỏng a ti si quang vi cỏc gúc nm trong gúc m ln nht ca
si s truyn lan sut dc theo lừi si bng cỏch lp i lp li cỏc phn x ton
phn gia biờn ca lp lừi v v.
3. nh sỏng truyn qua si quang a mode bc
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Sợi quang đa mode chiết suất ánh sáng bậc có chiết suất lõi khơng đổi,
đường kính lõi gần bằng 100µm, bọc bên ngồi là vỏ cũng bằng lớp thuỷ tinh có
đường kính lớn hơn và chiết suất bé hơn lõi. Độ rộng băng tần đạt 100MHz Km.
Khi một tia sáng đi vào sợi quang với một góc tương đối hẹp, nó bị phản xạ liên
tục ở đường biên cho tới khi nó chạy ra ở đầu cuối.
Loại sợi quang này truyền được hàng ngàn dạng sóng khác nhau. Khi các

tia sáng chiếu vào đầu sợi quang, chúng truyền với nhiều tốc độ khác nhau, lần
lượt phản xạ qua các mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ và đi ra ngồi sợi quang khơng
cùng một thời gian. Do đó mà các xung ánh sáng ở đầu ra so với đầu vào thì bề
rộng của xung thường bị nới rộng ra. Điều này dẫn đến việc truyền xung ánh
sáng trong sợi đa mode bậc tín hiệu dễ bị sai lệch.
Các tham số cơ bản:
Để đặc trưng cho dạng sóng truyền trong sợi quang, người ta tính ra các đại
lượng tần số chuẩn hố F:
F=
2πaA
λ

Trong đó: λ là bước sóng của tia sáng
A là góc mở với A = Sin θc =
2
2
2
1
nn −

n
1
, n
2
: lần lượt là chiết suất lõi và vỏ
a : bán kính lõi sợi
Trong sợi đa mode bậc gồm nhiều dạng sóng, trong đó có các tia cơ bản
(LP
01
) là những tia truyền vào lõi sợi quang với góc tới α

0
= 90
0
thì những tia
truyền trong lõi sẽ song song với trục của lõi. Còn các tia khác lần lượt với bậc
cao hơn tạo thành góc θ
c
cho đến bậc cao nhất (LP
11
) là những tia có góc tới hạn
tới góc giới hạn θ
c
thì những tia này lần lượt phản xạ nhiều lần qua mặt phân
cách giữa lõi và vỏ sợi quang.
4. Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode
a. Đặc điểm
Để tránh vấn đề tán sắc giữa các mạch là thiết kế sợi quang dẹt sao cho nó
chỉ truyền một mode. Vì chỉ có một mode lan truyền nên khơng lệch thời gian ở
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
cuối sợi, khơng méo tín hiệu do đó sợi có băng tần lớn và cho phép truyền được
lượng thơng tin rất lớn đi xa. Lượng thơng tin đạt được là 100Gb/s, bước sóng λ
= 1.300nm
b- Cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode tối ưu:
Loại sợi quang đơn mode λ = 1.300nm có đặc điểm quan trọng là suy hao
bằng 0 tại bước sóng 1.300nm nên gọi là sợi quang tối ưu. Sự phân bố cơng suất
trong lõi sợi hầu hết là cơng suất quang truyền trong lõi, khi mà bước sóng tăng
cao hơn bước sóng cắt thì một phần truyền ra ngồi lõi. Về cấu trúc của sợi
quang tối ưu có 2 dạng cơ bản sau:
 Loại chỉ số đơn bậc: Có đường kính trường mode khoảng 10µm, góc mở λ =
0,11. Như vậy loại cấu trúc này có hệ số khúc xạ, hệ số góc mở lớn.

 Loại chỉ số 3 bậc: Loại này có đường kính mode bé khoảng 9µm
IV. Suy hao trong sợi quang
Đo suy hao quang để xác định suy hao cơng suất ánh sáng lan truyền trong
sợi quang. Nếu suy hao nhỏ hơn thì sẽ cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu
lớn hơn.
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỉ số cơng suất quang lối ra P
out
của sợi
quang có độ dài L và cơng suất quang đầu vào P
in
. Tỉ số cơng suất này là một
hàm của bước sóng.
α =








out
in
P
P
L
log
10

Suy hao sợi quang có thể chia thành các loại:

1. Suy hao hấp thụ
Hấp thụ do các thiếu hụt ngun tử trong thành phần phân tử. Việc thiếu
hụt này là những cấu trúc ngun tử chất liệu chế tạo sợi quang. Các suy hao
này chở nên đáng kể khi sợi chịu các bức xạ ngun tử mạch.
Hấp thụ do ngun tử khơng thuần khiết trong chất liệu thủy tinh. Chủ yếu
do sự chuyển hố các ion kim loại như Crơm, coban, đồng...Các suy hao hấp thụ
này xuất hiện do chuyển tiếp các điện tử giữa các mức năng lượng lớn bên trong
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
khơng được làm đầy của các ion này hoặc do các chuyển tiếp từ ion này tới ion
khác.
Hấp thụ vật liệu do các dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím và các dải
dao động ngun tử trong vùng hồng ngoại. Q trình hấp thụ xuất hiện khi một
photon tương tác với một điện tử trong vùng hố trị và kích thích điện tử lên
vùng cao hơn.
2. Suy hao tán xạ: Còn gọi là suy hao tán xạ Rayleigh
Tán xạ Rayleigh là một hiện tượng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hướng
khác nhau khi nó gặp phải một vật nhỏ có kích thước khơng q lớn so với bước
sóng của ánh sáng.
Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước
sóng (α )
Ngun nhân:
Do cấu trúc sợi quang khơng đồng nhất gây ra:
Các sợi quang thực tế khơng thể có cấu trúc tròn lý tưởng và cấu trúc hình
trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi. Tại bề mặt biên giữa lõi và vỏ đơi chỗ có sự gồ
ghề khơng nhẵn, tại những chỗ này ánh sáng bị tán xạ và một vài chỗ phát xạ
ánh sáng ra ngồi. Như vậy những chỗ khơng bằng phẳng này gây nên suy hao,
nó làm tăng suy hao quang vì có các phản xạ bất bình thường đối với ánh sáng
lan truyền.
3. Suy hao do sợi bị uốn cong
 Suy hao vi cong: Khi sợi quang chịu những lực nén khơng đồng nhất thì trục

của sợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ làm tăng suy hao của sợi quang. Sự
suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi khi đi qua những chỗ uốn cong
đó.
 Suy hao uốn cong: Khi sợi bị uốn cong bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy
hao càng tăng. ( H1.7).
V. Méo TH trong các ống dẫn sóng quang
Khi truyền TH trên sợi quang, nó sẽ bị suy hao và méo là hai điều khó
tránh khỏi. Méo TH là do tác động của tán sắc mode và trễ giữa các mode.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Có thể hiểu tán sắc mode là sự giãn xung xuất hiện trong một mode do vận
tốc nhóm là biểu hàm của bước sóng λ. Vì tán sắc mode phụ thuộc vào bước
sóng nên tác động của nó tăng theo độ rộng phổ của nguồn sáng.
Yếu tố khác làm tăng độ giãn xung là trễ giữa các mode do mỗi mode có
giá trị vận tốc nhóm khác nhau, tại cùng một tần số.
Khái niệm “Vận tốc nhóm ” là tốc độ truyền năng lượng của mode trong sợi.
Hình 1.8 : Quá trình giãn và suy giảm xung lân cận khi truyền trong sợi
a) Hai xung ban đầu tách rời nhau.
b) Hai xung chồng lên nhau nhưng không tách được.
c) Các xung chồng lên nhau khó tách được.
d) Các xung chồng lên nhau rất nhiều và không tách được.
VI. Tán xạ trong sợi quang
1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng
Khi truyền dẫn các TH digital qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng
các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận
đè lên nhau, khi đó không phân biệt được các xung được gọi là hiện tượng tán
xạ.
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà
tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng
thời.
Tán xạ có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn, cụ thể:

- Khi truyền TH digital trong miền thời gian gây ra sự dãn rộng các xung
ánh sáng.
- Khi truyền TH analog thì ở đầu thu biên độ TH bị giảm nhỏ và có hiện
tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn.
Hình 1.10: ảnh hưởng của tán xạ lên TH digital (a) và analog (b)
S chỉ TH phát, E chỉ TH thu
Tán xạ chủ yếu tập trung ở những loại sau:
- Tán xạ vật liệu
- Tán xạ mode còn gọi là tán xạ đa mode
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
- Tán xạ mặt cắt
- Tán xạ sợi dẫn sóng
2. Hiện tượng tán xạ vật liệu
Theo hình vẽ 2.5 thì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi biến đổi
theo bước sóng của TH ánh sáng lan truyền, tức là n = n(λ).
Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước
sóng λ
0
thì không có hiện tượng lệch thời gian truyền dẫn giữa các thành phần
xung của ánh sáng vì theo v =
1
n
c
= const chúng sẽ lan truyền với cùng vận tốc v
=
)(
0
λ
n
c

= const.
Thế nhưng các nguồn phát quang như diode phát quang LED hay diode
lazer không phải chỉ bức xạ ra một vạch phổ ứng với bước sóng λ
0
mà chúng
bức xạ ra một dải phổ ∆λ quanh bước sóng λ
0
ở mức biên độ 0,5 như hình vẽ 2.5
Hình 2.5: Phổ bức xạ của LED và LD
3. Hiện tượng tán xạ mode
Nguyên nhân là các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ
với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch về thời gian, sinh ra méo xung.
Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode.
ánh sáng truyền trong sợi SI lan truyền dưới nhiều tia chạy theo các đường
dicdắc khác nhau với độ dài khác nhau, trong đó tia song song với trục quang có
độ dài ngắn nhất. Vì chiết suất n
1
của thuỷ tinh chế tạo ruột không thay đổi, nên
vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần là như nhau. Vì vậy thời gian cần
thiết để lan truyền các tia là rất khác nhau. Các tia đến đầu cuối sợi không cùng
một lúc mà có sự chênh lệch thời gian, gây ra dãn xung. Thời gian chênh lệch
giữa tia sáng nhanh nhất và chậm nhất là:
∆t =
)(
21
nn
C
L
−

ánh sáng lan truyền trong sợi GI lan truyền theo đường cong hình sin
những tia gần trục quang đường đi ngắn nhưng chiết suất của ruột sợi ở phần
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN