CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1. GIỚI THIỆU, Hệ thống thông tin quang cũng giống như những hệ thống thông tin khác bao gồm + Thiết bị phát - Mồi trường - Thiết bị thu, c Nei vi | >| thiết bị |— Mỗi tr “Thiết bị Nơi tín hiệu dị | pải truyền thu hiệu đến Phía phát Phía thu Hình I.1 : Các thành phắn c2 bản của hé thống thông tin quang. Ở thông tin quang môi trường truyền là sợi dẫn quang. Nó thực hiện nhiệm vụ mang thông tin dưới ánh sáng từ phía phát đến phía thu.
Phía phát có bộ chuyển đổi các tín hiệu điện (ở dạng các bit Ö và 1) thành ứn hiệu ánh sáng (với bit 0 : không có ánh sáng, bit1 : có ánh sáng). Phía thu có bộ chuyến đổi tín hiệu ánh sáng thành các bịt tín hiệu điện tương ứng có ánh sáng hay không có ánh sáng, Thông tin quang ra đời dựa trên sự kế thừa và phát triển của các hệ thống thông tỉn khác. Trước tiên là hệ thống điện báo của F. Morse năm 1844, kế tiếp là hệ thống cáp đồng và sau đó là hệ thống truyền dẫn vô tuyến.
Hệ thống truyền dẫn vồ tuyến được thực hiện bằng cách bức xạ sóng điện từ ra không gian, với hình thức truyền dẫn là tín hiệu mang thông tin được chồng lên một sóng điện từ khác mà người ta thường gọi là sóng mang, trước khi đưa vào đường truyền. Ở phía thu tín hiệu mang thông tin được tách ra và được xử lý theo yêu cầu. Lượng thông tin truyền đi sẽ phụ thuộc vào băng tần sóng mang, băng tần sóng mang lớn tức là dung lượng thông tin lớn. Xuất phát từ điều này mà người ta tìm kiếm các hệ thống thông tin mới có khả năng mang nhiều thông tin hơn, tiết kiệm về kinh tế hơn.
Phổ của ánh sáng trải dài từ 50mm (cực tím) đến 100 pum (hồng ngoại) là rất lớn có thể chứa một thông tin khổng lổ. Tuy nhiền, hệ thống thông tin quang chỉ được đưa vào sử dụng khi nghiên cứu thành công về sợi quang. ngày nay có suy hao rất thấp, giá trị hao là 0,15đB / Km tại bước sóng 1550 mm và với công nghệ chế tạo sợi hiện đại hơn, giá trị suy hao này còn nhỏ hơn. Nhu vay, ta có thể nói rằng hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống thông tin cáp khối lượng là : lúa luớy | - Suy hao truyền dẫn nhỏ ‘Trang -1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆD - Băng tân truyền dẫn lớn - Không chịu ảnh hưởng cửa nhiễu điện từ - Có tính bảo mật thồng tin ~ Có kích thước và trọng lượng nhỏ ~ Có tính cách điện tốt - Tin cậy và linh hoạt ~ Sợi quang được chế tạo từ vật liệu có sẵn.
trên mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi trên mạng, lưới, Chúng có thế được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuế báo, kéo đài cho tới cả việc truy nhập vào mang thuê bao lỉnh hoạt và đáp ứng được mọi mũi trường lấp đặt tại trong nhà cho đến xuyén lnc dia, vượt đại đương. Hiện nay, các hệ thống thông Un quang được ứng dụng rộng trên thế giới, chúng dap tứng cả các tín hiểu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn tất cả các liên kết đa dịch vụ, Nó lượng cáp quan hiện nay được lấp đạt trên thế giới với số lượng rất lớn ở đủ mọi bắc độ truyền dẫn với các cự ly khác sau, các cấu trúc mạng đa dạng, Hệ thống thống tin quang sẽ Ì mũi nhọn về tốc đó tư Ïy truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. Định luật cơ bẳn của ánh sáng. Các định luật cơ bản của ánh sáng có liền quan tới sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng khúc xạvà phản x4 toàn phan.
Vận tốc ánh sáng là: c= xã Trong đó f là tần số ánh sáng, A là bước sóng. Trong không gian tự do c là một hằng số có giá tri bang 3.10° més, còn trong môi trường trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng là v < c. Khi đó ta nói vật liệu có chỉ số chiết suất là n và : c n=->0 v Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là n = 1,33 ; thily tinh 1,5 va kim cương là 2,42. Khi chiếu một chìm tia sáng vào mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất n] và nạ thì một phần ánh sáng quay trở về môi trường (hiện tượng phan xa) va mot phân bị đổi phương truyền đột ngột ở mặt phân cách khi di qua mặt phân cách ( hiện tượng khúc x4).
Hiện tượng phản xạ và khúc xạ đều tuân theo các định luật của nó là : * Tia phẩn xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kỉa pháp tuyến so với ta tới, Góc phần xạbằng góc tới ï'= ¡ (hình 1-2). * Tia khúc xạ nẰm trong mặt phẳng và ở bên kỉa pháp tuyến so với tủa tới. Tỷ số §in góc tới và sin góc khúc xạ là một hằng số: sind my -Ð SỈ" “Trang -2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆD Hiện tượng phần xạ toàn phần. Giả sử chiết suất môi trường 1 là nị và môi trường 2 là nạ với nị > nạ, nghĩa là ánh sáng truyền từ mới trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém.
TY công thức 1-1 với nị > nạ thì góc phần xạ lớn hơn góc tới r > i. Mình L3 : Hiện tượng phan xa và Hình 1.3 : Hiện tượng phần xạ toàn khúc xạ ánh sáng phần4 Nếu tăng góc tới ¡ đến một giá trị giới han i„ nào đó thì tạo ra tỉa khúc xạ nằm song song với mặt phân cách giữa hai mói trường (hay r = 90”). Nếu góc ¡ > izụ thì toan bộ ánh sáng tới mặt phân cách đều bị phân xạ trở lại mối trường tới. Lúc đó ta có hiện tượng phần xạ toàn phần (Hình 1-3) Tóm lại để có phản xạ toàn phần thì ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém và góc tới của tỉa sáng phải lớn hơn góc giới hạn.
Với góc giới hạn được tính: sini, =" wn với nl >n2 2. Cấu trúc sợi quang và quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang. Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng được cấu tạo sao cho ánh sáng truyền dẫn trong nó tuân theo hiện tượng phần xạ toàn phần. Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm: lớp lõi hình trụ làm bằng vật liệu trong suốt (để dẫn ánh sáng) có chiết suất m lớn, bao quanh lõi là lớp bọc hình ống đồng tâm với lõi có chiết suất n; với nạ < n1, để ánh sáng chỉ truyền trong lõi theo hiện tượng phản xạ toàn phần (hình 1-4).
Ngoài ra sợi quang còn có lớp phủ đệm chống uốn vi cong và lớp vỏ tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền sợi quang. Sợi quang có đường kính vào khoảng 0,1mm. Lõi dẫn ánh sáng còn nhỏ hơn nhiều khoảng vài chục ¡ưn. So với bước sóng truyền tâi nó lớn hơn khoảng vài chục lần.
Đường kính sợi quang được xác định tùy theo yêu cầu truyền dẫn và đặc tính cơ học. * Quá trình truyễn ánh sáng vào sợi quang: Trang -3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP. Để ánh sáng truyền trong sợi quang đi xa ta cẩn tập trung ánh sáng vào đâu phát của sợi quang. Tuy nhiên không phải tất cả ánh sáng vào sợi quang đều được truyền đi mà chỉ một số tia thỏa mãn điều kiện phần xạ toàn phần mới truyền đi được.9 mm Ỳ | 250 m Lớp vỏ Hình 1.4 : Cấu trúc sới quang Giả sử ánh sáng được truyền tử môi trưởng khóng khí có chiết suất nọ vào lõi sợi quang có chiết suất n1 và vỏ sợi quang có chiết suất nz (Hình 1-5) Hình 1.5 : Góc nhận của sợi quang Để xây ra phản xạ toàn phần trong lõi sợi và vỏ thì : Si gig = n @ ma Sin i,j.
=COS Min @) Áp dụng định luật khúc xạ giữa hai môi trường có chiết suất nọ và nị, Site = Th — sini, = sinr M% Để góc r nhỏ thì góc io phải lớn => My Sioma: = M4 SED Pin (3) ma Sinr=/1-Cos?r @ Trang -4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆD 'Từ (1), (2), (3) và (4) Suy ra : 7, SỈ jạ„„„ = Vậy chỉ các tủa ở góc mở iọ nhỏ hơn hóc iomax mới xảy ra phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới lõi - vỏ sợi quang. Các tia này truyền theo đường gấp khúc đọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần phần xạ toàn phân. Phân loại sợi quang. Nơi quang được phần loại theo nhiễu cách khác nhau như phân loại theo vật liệu ché tao sới, phân loại theo mode truyền sóng, phân loại theo phân bố chiết suất.
Phân loại theo vật liêu có ; * Sgi thạch anh ®— Ni thủy tình đa vật liều, * Sui bang nhua, Sai thách anh và sợi thấy tỉnh được sử dung nhiều bởi nó có suy hao thấp, truyền dần vốn định, Còn sợi quang bằng nhựa suy hao lớn nhưng dễ lắp đặt, dễ nối hàn, ít bị ảnh hưởng bởi vỉ cong, uốn cong. - Phân loại theo mode truyền sóng sóng : * Sdi don mode. * Soi da mode. Mode là một mẫu trường điện và trưởng từ được truyền đi dọc theo sợi.
- Phân loại theo phân bố chiết suất có : * _ Sợi chiết suất phân bậc SI (Step - Index). » _ Sợi chiết suất biến đổi GI (Gradien - Index), Các đường truyền ánh sáng trong các sợi khác nhau được thể hiện ở hình 1-6 3. SUY HAO SỢI QUANG. Suy hao sợi quang đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống.
Nó là tham số. quyết định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Suy hao sợi quang có nhiều loại như : suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ, suy hao do uốn cong và vi uốn cong. Suy hao sợi được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu ra P„„ của sợi dẫn quang đài L với công suất quang đâu vào P„.
Tỷ số này là một hàm của bước sóng. Nếu gợi œ là suy hao sợi quang thì : đơn vị của suy hao là đB / km. Suy hao do lấp thụ. Ánh sáng truyền trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệu sợi và biến đổi thành nhiệt nên có suy hao quang mà không lọt ánh sáng ra ngoài.
Suy hao này gọi là suy hao. do hấp thụ. Suy hao hấp thụ được chia làm hai loại, một loại là do vật liệu chế tạo sợi quang, loại còn lại do các tạp chất trong thủy tỉnh làm sợi quang.