Đồ án Truyền dẫn quang

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN OTDM Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : CCK02- ĐT1 Khoá : 2007- 2010 Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ BẢNG: BẢNG 2.1: Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM BẢNG 5.2: So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm BẢNG 5.3: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L HÌNH: HÌNH 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang HÌNH 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng HÌNH 2.2: Truyền ánh sáng trong sợi quang HÌNH 2.3: Khẩu điều chế số HÌNH 2.4: Phổ suy hao của sợi quang HÌNH 2.4: Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt HÌNH 3.4: Cấu trúc LED phát xạ cạnh HÌNH 3.5: a) Bức xạ tự phát HÌNH 3.5: b) bức xạ kích thích HÌNH 3.6: Cấu trúc của bộ lọc ngoài HÌNH 3.7: Đồ thị phổ bức xạ của LASER HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ HÌNH 5.7: Phổ hấp thụ và phổ độ lợi HÌNH 5.8: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm. HÌNH 5.9: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược CP Condirectional Pumping Bơm thuận CR Coupling Ratio Tỉ số ghép D Directivity Tính dịnh hướng DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc DP Dual Pumping Bơm hai chiều DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc EDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GS Gain Spectrum Phổ độ lợi IL Insertion Loss Suy hao xen ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu LD Laser Diode Điốt Lase LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LW Linewidth Độ rộng kênh truyền MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MB Mestable Bend Vùng giả bến MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi Gradien MM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc MoD Mode Dispersion Tán sắc mode NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo tần số OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang OWDM Optical Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng OxC Optical Crossconnect Bộ kết nối chéo quang P Padiation Phóng xạ ánh sáng PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN PL Pumping Laser Laser bơm PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha RL Return Loss Suy hao phản hồi SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc SMF Sợi đơn mode tiêu chuẩn SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên U Uniformity Tính đồng nhất WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu. Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn. Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao. Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang – điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang). Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫn của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn. Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vô cùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới. Do đó để bao quát hết được vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn. Chính vì thế, chúng em đã chọn đề tài “TRUYỀN DẪN QUANG” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau: CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhược điểm của hệ thống. CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và các đặc tính riêng của từng loại. CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang. CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thu tín hiệu quang. CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, những ưu nhược điểm của hệ thống này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và phát triển rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này. LỜI CẢM ƠN Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo ThS Tô Văn Tuấn người đã trực tiếp định hướng, giảng dạy và hướng dẫn tận tình cho chúng em từ các môn học cho đến khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô của trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên nói chung, quý thầy cô trong khoa điện tử- viễn thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học tại trường. Em xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn đồ án ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên hướng dẫn nộp cho Hội đồng bảo vệ đồ án ………..................................................................................................................... ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Đồ án, khoá luận được đánh giá (bằng điểm): Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện trong đồ án, khoá luận của sinh viên ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Giảng viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT Của giảng viên phản biện nộp cho Hội đồng chấm đồ án ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Đồ án, được đánh giá (bằng điểm): Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: Giảng viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung lượng lớn, tốc độ cao, băng thông rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng, để thích ứng không ngừng với sự phát triển của dung lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã khẳng định được chính mình. Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960. Bằng khuyến nghị của Kao và Jockham 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp. Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km. Cho tới đầu năm 1980, các hệ thống thông tin quang đã được phổ biến khá rộng rãi với vùng bước sóng làm việc là 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của thông tin sợi quang trong hai thập niên qua. Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra những triển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại hóa mạng thông tin và nhu cầu kết nối thông tin. Với giá trị suy hao gần đạt tới giá trị suy hao 0,14dB/km của sợi đơn mode, từ đó cho ta thấy hệ thống thông tin quang có những điểm nổi bật hơn hệ thống cáp kim loại. Những ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang: Dung lượng lớn: các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm thoại, một cáp sợi quang đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại mà một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời. Kích thước và trọng lượng nhỏ: so với một cáp đồng trục có cùng dung lượng thì cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn rất nhiều, do đó dễ lắp đặt chúng hơn, đặc biệt là các vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong đường ống đứng trong các tòa nhà) ở đó khoảng không là rất ít. Không bị nhiễm điện: truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễm diện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào .Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những vị trí khắc nghiệt nhất, các công ty điện lực sử dụng cáp quang dọc theo các đường dây cao thế để cung cấp nguồn thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp.Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm, thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào một sợi quang khác. Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu cầu về điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang là một chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Có thể loại bỏ được nhiễu từ các dòng điện chạy cùng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây ra bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét, những trục trặc về điện. Đây là một phương pháp an toàn thường được dùng ở nhưng nơi cần cách điện. Tính bảo mật: cáp quang cung cấp độ bảo mật về thông tin cao. Một thông tin quang không thể trích để lấy trộm thông tin bằng phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ và rất khó trích lấy thông tin ở dạng thông tin quang. Thậm chí nếu đã trích ra thông tin quang thì nó có thể bị phát hiện nhờ kỹ thuật công suất ánh sáng thu được ở đầu cuối, trong khi đó các tín hiệu vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được. Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây hiện tượng pha đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp để chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khắc nghiệt, thậm chí có thể hoạt động dưới nước. Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video,…Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, SONET, thoại 2/4… Tính mở rộng: các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp để dẽ dàng mở rộng khi cần thiết. Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ này cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu. Khoảng cách này có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng bộ khuếch đại LASER. Với những ưu điểm vượt trội trên, hệ thống thông tin tạo ra sức hấp dẫn mạnh mẽ cho các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. 1.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang Thiết bị đầu cuối phát quang Trạm lặp Thiết bị đầu cuối thu quang Tín hiệu vào Sợi quang Tín hiệu ra Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang 1.2.1. Chức năng các khối Hệ thống thông tin quang bao gồm các khối: 1. Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn và ngược lại. 2. Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang. 3. Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. 4. Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài. 5. Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu. 1.2.2. Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm có: Cự ly tuyến truyền dẫn L (km), tốc độ bit B (Mbit/s) Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR Tỉ số lỗi bit BER () Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz) Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và tốc độ bit BxL (Mbit/skm) Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns) Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm), bước sóng làm việc, thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm). CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG 2.1. Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang 2.1.1. Cấu tạo cáp sợi quang Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chủ yếu để chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh (SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có đường kính lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp. Chiết suất của lõi sợi quang là n1 lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n2. Lớp clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi. Lớp vỏ bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi ẩm và trầy xước. Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài, lớp áo giáp và lớp chịu lực. 2.1.2. Phân loại sợi quang Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền. Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo. Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index). Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa mode (multi mode). Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất . Theo đó người ta phân sợi quang thành 3 loại sau: 1. Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI. Chiết suất của lớp vỏ lõi là n1 và lớp vỏ là n2 đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời nhiều loại mode sóng (nhiều tia sóng) khác nhau với hằng số truyền riêng của mỗi mode. Với sợi làm bằng thủy tinh thạch anh thì chiết suất n1=1,5; n2=1,48. 2. Sợi quang đa mode chiết suất biến đổ