Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc

1Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin Nguồn bản tin Máy phát Kênh truyền Máy thu Nơi nhận bản tin COMMUNICATION 2Component 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 3Phổ điện từ của các hệ thống thông tin 10 MHz MESSAGE BANDWIDTH 4 5QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG  Năm 1960: nguồn Laser ra đời  Dùng kênh AS để truyền tín hiệu * AS  5*10 14 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 6 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 ) 7 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. * Bảo mật.* Nguyên liệu thô sẵn có. 8Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang 9Phần 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 CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN DẪN SỢI QUANG 10 Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang 11 Cáp sợi quang có thể được lắp trên cột, trong ống hay đặt ngầm dưới biển 12 Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Suy hao sợi theo bước sóng 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 13 Operating range of 4 key components in the 3 different optical windows Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 14 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. 15 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 . 0(m) Độ suy giảm (dB/ km) Độ tán sắc (ps/ km-nm) 0.87 1.5 -80 1.312 0.3 0 1.55 0.16 +17 16 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. 17 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 18 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. 19 Hệ thống sợi quang 0(m) Sợi quang Nguồn Detector 0.87 Đa mode step-index LED AlGaAs Laser InGaAsP p–i–n APD Si Ge InGaA s 1.3 Đa mode graded-index 1.55 Đơn mode 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. 20 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 21  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 22 Sơ đồ hoạt động của hệ thống digital: 1 10 Tb Máy phát laser hoặc LED Xung quangXung điện đầu vào Sợi quang Xung quang bị suy hao và méo mó Photo diode thác hoặc pin Dòng xung điện có nhiễu bộ tách sóng quang Bộ khuếch đại và lọc Xung điện áp và nhiễu bộ khuếch đại 1 10 Các xung điện áp đầu ra sau khi tái tạo Mạch quyết định và bộ tái tạo xung Thiết bị xử lý tín hiệu Mũi tên biểu thị tâm khe thời gian Tb 23  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” Hệ số BER có thể chấp nhận là 10-9 1 0 1 1 B E R p p 2 2   24  Độ nhạy máy thu: + Số photon trung bình: 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: (1) ( 1) : Pr tỉ lệ với tốc độ bit B0. 0n 10photon/ bit r 0 0p h n B  25  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. 26 a. Hiệu suất của việc suy giảm:  = 10 log10P ; P : mW ; : dBm Độ nhạy nhận được làr (dBm) thì:  -c – m - L = r (dB) (2) s : công suất nguồn (dBm), α : sự mất mát sợi quang (dB/km), c : mất mát do nối ghép (dB) ; L chiều dài sợi quang cực đại (2) : hàm phụ thuộc khoảng cách. 27 Độ nhạy công suất của máy thu: r = 10 log10Pr (dBm) Hay (3) 0 0 r 3 n h B 10log (dBm) 10     Độ dài cực đại của liên kết thu từ (2), (3): (4) Hay (5) 0 0 s c m 3 n h B1 L 10log 10         0 0 1 0 L L l o g B   28 L giảm khi B0 tăng theo thang logarit với hệ số là 10/. H. 13 : đồ thị biểu diễn mối quan hệ này tại bước sóng 0.87 , 1.3 và 1.55m. Hình 13 29 b.Hiệu suất của sự tán sắc:  tăng theo L. Khi  > T = 1/B0, hiệu suất này giảm xuống khi xuất hiện giao thoa. Độ rộng cực đại chỉ cho phép là ¼ đối với khoảng thời gian một bit. (6) 0 T 1 4 4B    30 + Sợi cáp quang Step – index: Thế vào (6) ta có : (7) c1 = c0/n1: vận tốc A/S nguyên liệu của lõi.  = (n1 – n2)/n1: sai số tương đối. n1 = 1,46 và  = 0,01 ta có LB0  10 km – Mb/s. 1 L 2 c    1 0 c L B 2   31 +Sợi quang Graded – Index: (6) ta có: 2 1 L 4 c    1 0 2 c L B   n1 = 1.46 và  = 0.01 ta có LB0  2km-Gb/s (8) +Sợi quang đơn Mode:Độ rộng vạch là , độ rộng xung cho bởi: (9) D L    0 1 L B 4 D     32 D: hệ số tán sắc của vật liệu cáp quang 0 = 1.3m, D 1 ps/km-nm,  = 1 nm thì LB0  250 km-Gb/s; 0 = 1.55m, D = 17 ps/km-nm ,  = 1nm: LB0  15km-Gb/s. Hình 15: Quan hệ giữa L vơí B0 33 2. Hệ thống truyền thông analog: - Sử dụng điều biến cường độ biểu diễn ở H16. Tín hiệu là hàm liên tục theo thời gian. - Công suất của nguồn sáng (thường :LED) được điều biến bởi tín hiệu và truyền dẫn bởi sợi quang đến máy thu. Hình 16 34 - Sự biến dạng tín hiệu do: + Sự tắt dần trong sợi dẫn. + Sự tán xạ trong sợi dẫn. - Cả hai hiệu ứng có hại này tăng theo L. - Chiều dài cực đại L được xác định khi đảm bảo 2 điều kiện: + Sự tắt dần trong sợi dẫn phải cực nhỏ. +Bề rộng sợi dẫn f =  /2 lớn hơn B. 35 - Độ nhạy là công suất quang nhỏ nhất cho phép tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR của dòng photon vượt quá giá trị qui định SNR0. Một máy thu lý tưởng: (10) B: Độ rộng vùng của máy thu. P hSN R n 2B   - Neáu SNR0 laø giaù trò nhoû nhaát cho pheùp coù tín hieäu treân taïp aâm  ñoä nhaïy maùy thu trôû thaønh n0 = SNR0 photon treân thôøi gian hoài ñaùp vaø coâng suaát töông öùng laø Pr = hn0(2B) (11) 36 So sánh giữa (1) và (11) : mối quan hệ giữa LB0 trong hệ thống digital được xác định trong hệ thống analog nếu thay B0 bằng 2B.  SNR0 = 10 Ví dụ : sợi quang dài 1km truyền với dữ liệu digital có tốc độ 2Gb/s và BER không vượt quá 10-9 cũng có thể truyền bằng dữ liệu analog với độ rộng vùng 1 GHz và với tỉ số tín hiệu trên tạp âm ít nhất là 10.