HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên:
Bộ
ộ môn:
Email:
Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
Thông
g Tin Q
Quang
g – Khoa Viễn thông
g2
[email protected], [email protected]
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1
• Lịch sử phát triển
• Mô hình chung của hệ thống TTQ
• Một số vấn đề về quang vật lý trong TTQ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Lịch Sử Phát Triển
• 1790: Claude Chappe (Pháp)
Điện báo quang
200km trong vòng 15 phút
• 1870: John Tyndall (Anh)
Chứng minh ánh sáng có thể
ể dẫn
ẫ theo vòi nước bị uốn
cong
ÆĐịnh luật phản xạ toàn phần
• 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ)
Photophone: không thành công
Æ Cần phải có một môi trường dẫn ánh sáng thích hợp
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Lịch Sử Phát Triển
• 1934: Norman R.French (Mỹ)
Nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang
Dùng thanh thủy tinh để truyền ánh sáng
Æ Môi trường truyền ánh sáng thích hợp
• 1958:
1958 A.
A Schawlow
S h l
và
à Charles
Ch l H.Townes
HT
(Mỹ)
Xây dựng và phát triển laser
Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học,
học quân sự …
ÆNguồn quang dùng trong thông tin quang
• 1966: Charles H.Kao
H Kao và George A
A. Hockham (Mỹ)
Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng
Suy hao lớn ( > 1000dB/km)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Lịch Sử Phát Triển
• 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ)
Chế tạo sợi SI có suy hao < 20dB/km, tại λ=633nm
Æ Thông tin quang ra đời
• 1972: Sợi GI được chế tạo có suy hao 4 dB/km
• 1983: Sợi đơn mode (SM) được chế tạo
Æ Sợi quang SM được sử dụng phổ biến ngày nay có suy
hao ~0.2
0 2 dB/km tại λ=1550nm
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Sơ đồ khối cơ bản, gồm có:
Bộ phát quang (E/O)
Bộ thu quang (O/E)
Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Chức năng chính các khối
Khối E/O: điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang
Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Cáp sợi quang: môi trường truyền dẫn tín hiệu quang từ
đầu phát đến đầu thu.
thu
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Trạm lặp (repeater)
Khuếch đại tín hiệu bị suy yếu do suy hao trên sợi quang
Trạm lặp làm việc theo nguyên lý: quang – điện – quang
(O – E – O)
N
Ngoài
ài ra, đê
để khuếch
kh ế h đại
đ i tín
tí hiệu
hiệ quang còn
ò có
ó thê
thể sư
ử
dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ
khuếch đại quang làm việc trong miền quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Nguyên tắc truyền tin:
Tín hiệu truyền có tần số trong miền quang.
Có thể truyền hai hướng trên một sợi quang. Thông
thường sử dụng 2 sợi quang cho một tuyến và chỉ
truyền một hướng trên 1 sợi quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Ưu điểm của hệ thống TTQ:
Suy hao thấp
Dải thông rộng
Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
H à toàn
Hoàn
t à cách
á h điện
điệ
Không bị can nhiễu của trường điện từ
Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể
Tính bảo mật cao
Vật
ậ liệu
ệ chế tạo
ạ có nhiều trong
g tự
ự nhiên
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Nhược điểm của hệ thống TTQ:
Vấn đề biến đổi quang điện.
Hàn nối, đo thử sợi quang đòi hỏi thiết bị chuyên dụng
đắt tiền.
An toàn lao động
động.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Các khái niệm chung:
Tần số:
• Ký hiệu: f
• Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second)
» Theo thời gian: T - chu kỳ (s), f = 1/T - tần số (Hz)
A
A
T
λ
z (m)
t (s)
(a)
www.ptit.edu.vn
(b)
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Các khái niệm chung (tt):
Bước sóng:
• Ký hiệu: λ
• Đơn vị: m
» Theo không gian: λ - bước sóng (m)
A
A
T
λ=
λ
z (m)
t (s)
((a))
www.ptit.edu.vn
C
f
(b)
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Ánh sáng có hai tính chất:
Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ
Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có
năng lượng E
» E = hf
www.ptit.edu.vn
hay
E=
1,24
(eV)
λ (μm )
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Phổ sóng điện từ:
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Phổ sóng điện từ (tt):
Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến
780
780nm
(đỏ)
Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng
cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-1600nm) Æ
không thấy được
3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng
trong thông tin quang: 850 nm,
nm 1300 nm và 1550 nm
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Một số định luật quang cơ bản:
Chiết suất của môi trường:
n = C/v
C: vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.108 m/s
v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét
Chiết suất của một vài môi trường thông dụng:
• Không khí:
• Nước:
Nướ
• Thủy tinh:
www.ptit.edu.vn
n = 1,00029 ≈ 1,0
n = 4/3 ≈1,33
1 33
n = 1,48
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Một số định luật quang cơ bản (tt):
Ðịnh luật phản xạ ánh sáng:
• Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới
• Góc phản xạ bằng góc tới (θ1' = θ1)
Tia phản xạ
Tia tới
1
1
'
n1
Môi trường 1
n2
Môi trường 2
2
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Một số định luật quang cơ bản (tt):
Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng:
• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.
• Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:
» n1sinθ1 = n2sinθ2
Tia phản xạ
Tia tới
1
1
'
n1
Môi trường 1
n2
Môi trường 2
2
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20