Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc

COMMUNICATION
Nguồn bản tin

Máy phát

Kênh truyền

Nơi nhận bản tin

Máy thu

Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin
1


Component Optical Fiber
Material：
(fused silica SiO2)
Structure:
concentric
arrangement of core
and cladding
Transmission:
total reflection of light
at the boundary
between core and
cladding

/>htm

2

MESSAGE
BANDWIDTH

Phổ điện từ của
các hệ thống
thông tin

10 MHz

3


4


QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG
THÔNG TIN SỢI QUANG
 Năm 1960: nguồn Laser ra đời
 Dùng kênh AS để truyền tín hiệu
* AS  5*1014 Hz  nguồn Laser có dung lượng thông tin
lớn hơn các hệ thống viba 105 lần (10 triệu kênh TV.)
* Do chi phí cao và ảnh hưởng của thời tiết
 Hệ thống : kém hấp dẫn

5


 Vật liệu truyền dẫn: Sợi quang (Tạo ra kênh quang

tin cậy & linh hoạt)
* Ban đầu: suy hao rất lớn (>1.000dB/km)
* 1966: Kao, Hochman, Wertst: suy hao lớn là do
nguyên vật liệu sợi quang không tinh khiết
* Hai thập kỷ sau: Độ suy hao còn 0.16 dB/km tại  =
1550nm ( lý thuyết: 0.14 dB/km )

6


 Công nghệ bán dẫn: Cung cấp: Nguồn AS
+ Bộ tách quang + ống dẫn sóng quang

Tuyến truyền dẫn thông tin sợi quang
* Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn.
* Kích cỡ và trọng lượng nhỏ.
* Chống nhiễu tốt.

* Cách điện tốt.

* Nguyên liệu thô sẵn có.

* Bảo mật.
7


Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang
8

CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN
DẪN SỢI QUANG
Phần phát:
– 1 nguồn sáng
– Mạch điều khiển nguồn sáng

Oáng dẫn sóng (sợi quang)
Phần thu:
– Một khối tách sóng quang
– Mạch khôi phục và khuyếch đại tín hiệu

9


Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang
10


Cáp sợi quang
có thể được lắp
trên cột, trong
ống hay đặt
ngầm dưới biển

11


Basically two windows available:
– 1.3 mm and 1.55 mm

The lower window used
with Si and GaAlAs
and the upper window
with InGaAsP compounds
There are single- and monomode
fibers that may have step or
graded refraction index profile
Propagation in optical fibers
is influenced by attenuation,
scattering, absorption,dispersion
In addition there are non-linear
effects that are important in
WDM-transmission

Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill,
2000

Suy hao sợi theo bước sóng
12


Operating range of 4 key components in the 3 different
optical windows

13
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000


Sự suy giảm và sự tán sắc vật chất.
 Khi bước sóng tăng lên

trong miền phổ khả kiến
thì độ suy giảm giảm
xuống tối thiểu vào
khoảng 0.3 dB/ km ở 0 =
1.3 m.
 Hệ số tán sắc D của ống

thuỷ tinh thạch anh nóng
chảy cũng phụ thuộc vào
bước sóng.
14


Hoạt động của bước sóng đối với các hệ
truyền thông sợi quang
 Một thiết kế đạt tiêu chuẩn đã sử

dụng các ống mode đơn graded –
index để nhằm đạt được sự tán sắc
trong ống dẫn sóng cân bằng bằng
vật liệu tán sắc vì thế hầu như hiệu
suất tán sắc ở 1.55 m bị loại trừ
hơn ở 1.312 m .

Độ tán
sắc (ps/
km-nm)

0.87

Độ suy
giảm
(dB/
km)
1.5

1.312

0.3

0

1.55

0.16

+17

0(m)

-80

15


Những vật liệu đạt tiêu chuẩn.
 Bao gồm kim loại nặng, thuỷ tinh florua, tinh thể

Halogen và thuỷ tinh chalcogenide (sulfua,

selenium…).
 Đối với những loại vật liệu này dãy hấp thu hồng

ngoại định vị xa hơn trong vùng hồng ngoại so
với thuỷ tinh silicat vì thế vào giữa vùng hồng
ngoại thì chúng làm giảm bước sóng Rayleigh.

16


Các nguồn của một bộ truyền tải quang học
 Công suất , tốc độ, độ rộng vạch phổ, tạp âm.
 Nguồn ở 0.87 m.
Diode phát quang AlGaAs và diode laser
AlGaAs/GaAs
 Nguồn ở 1.3 và 1.55 m.
Diode phát quang InGaAsP

17


Các đầu thu quang học
 Đầu thu ở 0.87 m.

– Photodiode p-i-n và APD đều sử dụng được ở bước
sóng này.
 Đầu thu ở 1.3 và 1.55 m.
– Ge và InGaAs p-I-n đều sử dụng được. InGaAs được
ưu tiên hơn bởi chúng có độ ổn định nhiệt cao hơn và
dòng tối thấp hơn.

18


Hệ thống sợi quang
0(m)

Sợi quang

Nguồn

0.87

Đa mode step-index

LED AlGaAs
Laser InGaAsP

1.3

Đa mode graded-index

Ge

Đơn mode

InGaA
s

1.55

Detector

p–i–n
APD

Si

Hệ thống 1: sợi đa mode ở 0.87 m.
Hệ thống 2: sợi đơn mode ở 1.33 m.
Hệ thống 3: các sợi đơn mode ở 1.55 m.
19


HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Theo hai hình thức digital và analog
1. Hệ thống truyền thông Digital:
 Sử dụng nguồn LED hoặc diode laser :
 Đầu dò quang p-i-n hoặc APD

20


 Cường ánh sáng được điều biến trong 1 hệ
thống khóa (OOK) bởi việc bật tắt nguồn thể
hiện bởi những bits “1” và “0” (hình 10).

Hình 10

Mục đích : hướng đến khoảng cách truyền

dẫn lớn nhất L với tốc độ bit B0 bit/s sao
cho tốc độ lỗi nhỏ. Tích số LB0: khả năng
liên kết
21


Sơ đồ hoạt động của hệ thống digital:
Tb
1

0

Tb

1

Xung điện đầu vào

Máy phát
laser hoặc
LED

Photo
diode thác
hoặc pin

Sợi quang

Bộ khuếch
đại và lọc

Dòng xung điện
có nhiễu bộ
tách sóng quang

1

Mạch
quyết định
và bộ tái
tạo xung

Xung quang bị suy
hao và méo mó

Xung quang

0

Xung điện áp
và nhiễu
bộ khuếch đại

1

Các xung điện áp đầu
ra sau khi tái tạo

Thiết bị
xử lý tín

hiệu

Mũi tên biểu thị
tâm khe thời gian
22


 Tốc độ lỗi bit:
Hoạt động của hệ thống được đo bởi khả năng sai số của
một bit, gọi là tốc độ lỗi bit (BER).
Nếu p1 là khả năng xảy ra của “1” đối với “0” và p0 là
khả năng xảy ra của “0” đối với “1”
1
1
B E R 
p1 
p 0
2
2
Hệ số BER có thể chấp nhận là 10-9

23


 Độ nhạy máy thu:
+ Số photon trung bình:

n0  10photon/ bit

để đảm bảo BER  10-9.

 độ nhạy máy thu lí tưởng là 10 photon/ bit.
ứng với năng lượng quang học hn0/bit , ta có:

p r  h n 0B 0
( 1)

(1)

: Pr tỉ lệ với tốc độ bit B0.

24


 Hướng thiết kế:
 Cung cấp nhiều xung lan truyền để bổ sung vào sự
tán sắc trong sợi quang. Nếu độ rộng  của xung >
1/B0, các xung lân cận phủ lên nhau gây ra sự giao
thoa  tăng tốc độ lỗi.
 Cần có điều kiện đối với : công suất và  để sự
liên kết vận hành
 Nếu B0 được giữ cố định và tăng L  hiệu suất
giảm: Công suất nhận được nhỏ hơn độ nhạy công
suất máy thu Pr, hoặc  > 1/B0.

25