Chương 3 thông tin quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ

Phần 3: Thông tin quang

ThS. Chu Công Hạnh
BÀI GIẢNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ


Nội dung
 Tổng quan về hệ thống thông tin quang
 Cơ sở thông tin quang
 Sợi quang
 Nguồn quang
 Bộ thu quang

 Công nghệ SDH và WDM
 Thiết kế tuyến thông tin quang

Slide 2


Tài liệu tham khảo
1.
2.
3.
4.

Hoàng Ứng Huyền, “Kỹ thuật thông tin quang”, Tổng cục bưu điện, 1993.
Kỹ thuật thông tin quang, NXB Bưu điện, 1997.
Thông tin quang và thông tin vô tuyến, LG, 1997.
Y. Suematsu and K. Iga, “Introduction to Optical Fiber Communications”, John Wiley

& Sons, 1982, ISBN 0-471-09143-X
5. M. M-K. Liu, “Principles and Applications of Optical Communications”, IRWIN,
1996, ISBN 0-256-16415-0.
6. G. Keiser, “Optical Fiber Communications”, McGraw-Hill, 3rd edition, 2000, ISBN 007-232101-6.

Slide 3


Tổng quan về hệ thống thông tin quang
 Lịch sử phát triển của ngành thông tin quang
 Các ưu điểm của hệ thống thông tin cáp sợi quang
 Các thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang
 Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang

Slide 4


Lịch sử phát triển của ngành thông tin quang
 1960: T. H. Maiman phát minh ra
laser.
 1966: K.C. Kao và G. A. Hockham
phát minh ra sợi quang. Suy hao
lớn: 1000 dB/km.
 1970: K. P. Kapron chế tạo sợi
quang suy hao 20 dB/km ở bước
sóng 1µm.
- GaAs larser: được chế tạo thành
công
 1980: hệ thống thông tin quang
được sử dụng rỗng rãi

BL: Bit-rate – distance product
B: Bit-rate (Mb/s)
L: Repeater distance

Slide 5


Lịch sử phát triển của ngành thông tin quang

Sự phát triển của thông tin quang

Slide 6


Lịch sử phát triển của ngành thông tin quang
 1G: 0.8 µm và GaAs.
 2G: 1.3 µm và InGaAsP
(0.5dB/km)
 3G: 1.55 µm và InGaAsP
(0.2dB/km)
 4G: KĐ quang để tăng khoảng
lặp & WDM (1.53-1.57 µm) để
tăng dung lượng.
 5G: tăng khoảng bước sóng
trên 1 kênh WDM và dung
lượng trên 1 kênh.
 truyền dẫn soliton
Slide 7

Tổng quan về hệ thống thông tin quang

International undersea network of fiber-optic communication systems around 2000
27.000: Âu – Á (1998) và 35,000: Châu Mỹ (2000)
 Internet: 250.000 km – 2.56 Tb/s (64 kênh WDM: 10 Gb/s trên 3 sợi quang ) (2002)
Slide 8


Các ưu điểm của hệ thống thông tin cáp sợi quang
 Suy hao truyền dẫn thấp và băng thông rộng
 Không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ
 Xuyên âm giữa các sợi dây không đáng kể
 Tránh được sự chập mạch điện hay bị nối đất, sấm sét
 Độ an toàn và bảo mật thông tin cao, tuổi thọ dài và khả năng đề
kháng với môi trường.
 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
 Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên và có giá thành rẻ

Nhược điểm: đấu nối khó và không truyền tải được năng
lượng điện

Slide 9


Các thành phần của hệ thống thông tin quang

 Khối phát quang
 Khối thu quang
 Môi trường truyền dẫn: sợi quang

Slide 10


Khối phát quang

 Nguồn quang: laser bán dẫn hoặc LED
 Khối điều chế
 Bộ nối quang: ghép tín hiệu quang với sợi quang

Slide 11


Khối thu quang

Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện ban đầu. Bộ thu quang phải thích hợp với
bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế.

 Bộ nối quang: đưa tín hiệu quang từ sợi quang vào
 Bộ tách sóng quang: biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện
 Bộ giải điều chế: khôi phục tín hiệu điện như ban đầu
Slide 12


Chương 2: Cơ sở thông tin quang


Nội dung
 Cơ sở thông tin quang
 Sợi quang
 Nguồn quang

 Bộ thu quang

Slide 14


Cấu tạo và phân loại sợi quang
 Cấu tạo: Gồm 2 lớp
- lõi (core): n1
- vỏ (cladding): n2
 Phân loại:
- Sợi quang chiết suất nhảy
bậc đơn mode (SISM)
- Sợi quang chiết suất liên
tục đơn mode (GISM)
- Sợi quang chiết suất liên
tục đơn mode (GISM)
Sợi quang chiết suất nhảy bậc

Sợi quang chiết suất liên tục

Slide 15


Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
 Nguyên lý phản xạ toàn phần:

φ

n1.sin φ1 = n2 .sin φ2
⇒ sin φ2 =

n1.sin φ1 = n22 .sin φ2

n1
sin φ1
n2
Tia tới

 Để: φ2 > φ1 ⇒ n1 > n2
 φ2 = 90

0

Tia khúc xạ

n2

Đinh lý Snel:

n2
⇒ sin φC =
n1

φ1

Tia phản xạ

n1

Góc tới phải lớn hơn góc giới hạn

Slide 16


Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
 Truyền dẫn ánh sáng trong sợi
quang chiết suất nhảy bậc:

n1 = c/v
Trong đó n1: chiết suất của lõi sợi quang
c: vận tốc ánh sáng
v: vận tốc truyền trong môi trường

Hai tia truyền với quãng đường
khác nhau, cùng một tốc độ truyền
 Hiện tượng tán sắc
Sợi SI không thể dùng để truyền
tín hiệu với tốc độ cao qua cự ly
dài
Slide 17


Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc

Slide 18


Khái niệm mode và phương trình xác định mode truyền

dẫn, số lượng mode tối đa:
 Mode truyền dẫn: là cách thức phân bố theo không gian của năng
lượng quang học trong một hay nhiều chiều tọa độ.
 Phương trình xác định mode truyền dẫn:
2π 2n1 d
.
− 2δ = 2mπ
λ0 cosφm
Trong đó n1, d : chiết suất và đường kính của lõi sợi quang

λ0 : bước sóng ánh sáng trong không khí
δ : góc dịch pha khi phản xạ

δ << 2π ; m >> 1
2n ( d / λ0 )
2n d
cosφm = 1
cosφm ≅ 1 .
m + (δ / π )
m λ0
(d × NA × π / λ ) 2
 Số lượng mode tối đa được truyền:
NM =
2
Khẩu độ số NA (Mumerical Aperture) = (n12 - n22)1/2
Slide 19


Khái niệm mode và phương trình xác định mode truyền
dẫn, số lượng mode tối đa:

 Điều kiện để sợi quang chiết suất nhảy bậc chỉ truyền dẫn đơn mode:
- Tần số chuẩn hóa (V):
V=

2π d 2
(n1 − n22 )1/ 2
λ

V ≤ 2, 45 : Đơn mode

Slide 20


Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
 Sợi quang chiết suất liên tục:

 Quãng đường truyền khác
nhau có tốc độ truyền khác nhau
 giảm tán sắc

Slide 21


Suy hao trong sợi quang

Hệ số suy hao:

Pin

Pout

Slide 22


Các nguyên nhân gây suy hao trong sợi quang
 Suy hao do hấp thụ
 Suy hao do tán xạ

Slide 23


Suy hao trong sợi quang

Phổ suy hao của sợi quang
Slide 24


Các nguyên nhân gây tán sắc trong sợi quang
 Tán sắc mode
 Tán sắc sắc thể
 Tán sắc chất liệu
 ….

Slide 25