Sợi quang

Kỹ thuật thông tin quang Dùng cho các lớp ĐH chuyên ngành VT
Cao Hồng Sơn
Bộ môn: Thông tin quang
E-mail: [email protected]
Nội dung chính
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang
Giới thiệu hệ thống thông tin quang diển hình
Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang
Các thành phần cơ bản
ưu nhược điểm của hệ thống

Một số vấn dề cơ bản về quang vật lý trong kỹ thuật thông tin quang
Một số vấn dề cơ bản về ánh sáng: B?n ch?t ánh sáng, M?t s? d?nh lu?t quang co b?n
M?t s? v?n d? co b?n trong v?t lý bán d?n: Quá trình h?p th? v� phát x? photon; V?t li?u bán d?n quang; Ti?p giáp p-n; Quá trình tái h?p trong bán d?n.
Một số hi?u ?ng co b?n c?a v?t li?u quang: Hi?u ?ng di?n quang; quang t?; quang âm.
Giới thiệu chung
Lịch sử phát triển:
Trong thời kì 1850 - 2000, tích BL tăng lên khi công nghệ thay đổi
Giới thiệu chung
Lịch sử phát triển:
1854: Thí nghiệm John Tyndall
1962: LD bán dẫn đầu tiên (IBM, Lincoln Lab)
1966: Sợi quang đầu tiên, suy hao: 1000dB/km (Corning Glass)
1970: Sợi quang, suy hao: 20dB/km (Corning Glass)
1970: LD hoạt động nhiệt độ phòng
1976: LD bán dẫn ở ?=1,3?m và 1,55?m
1977: Hệ thống quang ở cửa sổ thứ nhất (0,85?m)
1980: Hệ thống quang ở cửa sổ thứ hai (1,3?m)
1982: Sợi SM, suy hao 0,16 dB/km (? giới hạn lý thuyết)
1984: Hệ thống quang ở cửa sổ thứ ba (1,55?m)
1985: Hệ thống WDM (Bell Lab)
1986: EDFA đầu tiên
1988: Hệ thống cáp biển đầu tiên vượt Đại Tây Dương và Thái Bình Dương (565Mb/s)
1989: LD bán dẫn phổ cực hẹp
1990: Truyền dẫn soliton 2,5Gb/s không trạm lặp 13.000Km (Bell Lab)
1992: Hệ thống quang WDM+EDFA
1995: Các hệ thống quang vượt Đại Dương không trặm lặp 5Gb/s
1997: Triển khai rộng rãi các hệ thống WDM thương mại
2001: Truyền dẫn OTDM 1Tb/s qua 70Km (NTT)
2003: 10Tb/s qua 10.000Km
Giới thiệu chung
Lịch sử phát triển (thương mại):
. 1980: sợi đa mode (850nm, IM/DD) 34-90 Mb/s
. 1985: sợi đơn mode (1300nm, IM/DD) 140-280 Mb/s
. 1990: sợi đơn mode (1550nm, coherent) 2,5 Gb/s
. 1996: sợi đơn mode/WDM +EDFA 400 Gb/s
. 2001: sợi đơn mode/DWDM + RA (C&L band, IM/DD) 2400 Gb/s
Giới thiệu chung
Một số hệ thống quang biển quốc tế:
Giới thiệu chung
Một số hệ thống quang biển quốc tế:
Giới thiệu chung
HT quang biển quốc tế: SEA-ME-WE-3:
Giới thiệu chung
Mô hình chung mạng Viễn thông:
Giới thiệu chung
Mô hình chung mạng quang:
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang:
. Gồm 2 loại:


. Mô hình tổng quát:
+ Optical Transmitters: Biến đổi E/O
+ Communication Channel: Sợi quang
+ Optical Receivers: Biến đổi O/E.
+ Hữu tuyến (Guided)
+ Vô tuyến (Unguided)
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang (Máy phát quang):
Nguồn quang (LASER/ LED): Tạo ra sóng mang quang.
Tần số sóng mang 185 ? 200 THz (1520 ?1620nm)
Băng C: 1530 ? 1565nm & Băng L: 1570 ? 1610nm
Bộ điều chế tạo luồng bít quang
Kỹ thuật điều chế trực tiếp (IM): dòng LD được điều chế để tạo dòng bit (không cần bộ điều chế ngoài)
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang (Máy thu quang):
Bộ tách quang (PIN/ APD): Biến đổi quang thành điện.
Bộ giảI điều chế tạo lại luồng bit điện
Trong quá trình truyền có nhiễu và dẫn đến máy thu có lỗi.
BER yêu cầu <10-9
Để hoạt động được: tất cả các máy thu cần tối thiểu một mức công suất nào đó (Độ nhạy thu).
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang (Máy thu quang):
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang (Kênh thông tin):
Các sợi SM có suy hao thấp (0,2 dB ở vùng 1550nm) hoạt động như kênh thông tin.
Cự li truyền dẫn vẫn bị giới hạn bởi suy hao của sợi.
Suy hao được bù theo chu kỳ bằng trặm lặp hoặc bộ OA.
Tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến cũng làm hạn chế tổng chiều dài.
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang:
Mô hình hệ thống truyền dẫn sợi quang
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang:
Mô hình phân lớp
Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang:
Mô hình phân lớp
LTE MUX
Tx
S
POH





PTE
PTE
STE
FILTER
+
SHAPER
REGEN
A
D
STE
LTE MUX
LOH
SOH
Pne
Pntx
(BR)t
Pns
Pnds
Ps
Pt
L0
Pnm
Pr
MRP
Pnd
MDP
Pna
Ld
(BW)r
tj
M0
ER
Li
SOH
LOH
POH
(BW)r
(BW)t
(SNR)r
(SNR)n
(SNR)t , (BW)t
(SNR)c , (BW)c
(SNR)b , (BW)b
(SNR)b,in
(BER)b,in
(SNR)b,out
(BER)b,out
(SNR)e
(BW)e
(SNR)0
(BW)0
PTE
PTE





Giới thiệu chung
ưu điểm:
. Suy hao thấp
. Độ rộng băng tần lớn
. Trọng lượng nhẹ
. Không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường ngoài
. Không gây xuyên âm
. Tính bảo mật cao
. Chi phí tiết kiệm
. Khó khăn trong ghép nối
. Không sử dụng tại vùng bị chiếu xạ
Hạn chế:
Giới thiệu chung
Tín hiệu analog và tín hiệu số:
Các hệ thống quang sử dụng dạng tín hiệu số.
Tín hiệu quang là luồng bít 0 hoặc 1.
Tốc độ bit B xác định khe thời gian TB=1/B cho mỗi bít.
Giới thiệu chung
Biến đổi analog thành tín hiệu số:
Lấy mẫu:
fs?2?f
Lượng tử:
M> Amax/AN
.Mã hoá:
M=2m; m là số bít/ mẫu
(mã hoá nhị phân)
Tốc độ bit: B=m?fs
B ?2?f log2M
B>(?f/3)SNR
SNR=20log10(Amax/AN)
Giới thiệu chung
Tín hiệu Audio và Video:
Tín hiệu Audio số:
?f=3,1 kHz (0,3?3,4 kHz); SNR=30dB
Tốc độ min: B= (?f/3) SNR=31 kb/s
Thực tế, B = 64 kb/s ( fs = 8 kHz; 8 bits/sample).

Tín hiệu Video số:
?f= 4 MHz ; SNR=50dB
Tốc độ min: B= (?f/3) SNR=66 Mb/s
Thực tế, B = 100 Mb/s ( fs = 10 MHz; 10 bits/sample).

Giới thiệu chung
Ghép kênh:
TDM: Time-Division Multiplexing
FDM: Frequency-Division Multiplexing






FDM quang = WDM: Wavelength-Division Multiplexing
Giới thiệu chung
Ghép kênh TDM:
Không tiêu chuẩn chung cho đến 1998.
Chuẩn US: synchronous optical network (SONET).
Chuẩn ITU: synchronous digital hierarchy (SDH).
Giới thiệu chung
Cơ sở quang vật lý:
- ánh sáng vừa có bản chất sóng vừa có bản chất hạt
- ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n với vận tốc v = c/n.
- Trong môi trường đồng nhất, ánh sáng truyền thẳng
- Khi gặp bề mặt phân cách giữa hai môi trường: một phần phản xạ còn một phần khúc xạ
- Năng lượng của 1 photon: Ep=h.f
trong đó: h - hằng số Plank, (=6,626.10-34J.s)
f - tần số ánh sáng f = c/?o
?o - bước sóng ánh sáng trong chân không

Giới thiệu chung
Cơ sở quang vật lý:
Giới thiệu chung
Cơ sở quang vật lý:
Giới thiệu chung
Cơ sở quang vật lý:
. Hiện tượng phản xạ & khúc xạ (định luật Snell):
. Hiện tượng phát xạ & hấp thụ (định luật Snell):
Phản xạ toàn phần ? Cơ sở truyền ánh sáng trong sợi quang
Quá trình phát xạ ? Cơ sở phát ánh sáng trong nguồn quang
Quá trình hấp thụ ? Cơ sở hoạt động trong phần tử tách quang