HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GI NG KỸ THU T THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Gi ng viên: B môn: Email: Th.S Đ V n Vi t Em – Th.S Ph m Qu c H p Thông g Tin Q Quang g – Khoa Vi n thông g2 emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THU T THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V KỸ THU T THÔNG TIN QUANG www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 2 N I DUNG CHƯƠNG 1 • Lịch sử phát triển • Mô hình chung c a hệ thống TTQ • Một số vấn đề về quang vật lý trong TTQ www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 3 Lịch Sử Phát Tri n • 1790: Claude Chappe (Pháp) ̇ Điện báo quang ̇ 200km trong vòng 15 phút • 1870: John Tyndall (Anh) ̇ Ch ng minh ánh sáng có thể ể dẫn ẫ theo vòi n ớc bị uốn cong åĐịnh luật phản xạ toàn phần • 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ) ̇ Photophone: không thành công å Cần phải có một môi tr ờng dẫn ánh sáng thích hợp www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 4 Lịch Sử Phát Tri n • 1934: Norman R.French (Mỹ) ̇ Nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang ̇ Dùng thanh th y tinh để truyền ánh sáng å Môi tr ờng 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 ̇ ng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, học quân sự … åNguồn quang dùng trong thông tin quang • 1966: Charles H.Kao H Kao và George A A. Hockham (Mỹ) ̇ Dùng sợi th y tinh để truyền dẫn ánh sáng ̇ Suy hao lớn ( > 1000dB/km) www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 5 Lịch Sử Phát Tri n • 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ) ̇ Chế tạo sợi SI có suy hao < 20dB/km, tại λ=633nm å Thông tin quang ra đời • 1972: Sợi GI đ ợc chế tạo có suy hao 4 dB/km • 1983: Sợi đơn mode (SM) đ ợc chế tạo å Sợi quang SM đ ợc sử dụng phổ biến ngày nay có suy hao ~0.2 0 2 dB/km tại λ=1550nm www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 6 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • Sơ đô khối cơ bản, gồm có: ̇ Bộ phát quang (E/O) ̇ Bộ thu quang (O/E) ̇ Môi tr ờng truyền dẫn là cáp sợi quang. www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 7 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • Ch c năng chính các khối ̇ Khối E/O: điều chê tín hiệu điện thành tín hiệu quang ̇ Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện. ̇ Cáp sợi quang: môi tr ờng truyền dẫn tín hiệu quang t đầu phát đến đầu thu. thu www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 8 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • Trạm lặp (repeater) ̇ Khuếch đại tín hiệu bị suy yếu do suy hao trên sợi quang ̇ Trạm lặp làm việc theo nguyên ly: 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 s ̉ dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ khuếch đại quang làm việc trong miền quang. www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 9 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • Nguyên tắc truyền tin: ̇ Tín hiệu truyền có tần sô trong miền quang. ̇ Có thể truyền hai h ớng trên một sợi quang. Thông th ờng s ̉ dụng 2 sợi quang cho một tuyến va chỉ truyền một h ớng trên 1 sợi quang. www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 10 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ u điểm c a hệ thống TTQ: Suy hao thấp Dải thông rộng Trọng l ợng nhẹ, kích th ớc nhỏ H à toàn Hoàn t à cách á h điện điệ Không bị can nhiễu c a tr ờng điện từ Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể Tính bảo mật cao ậ liệu ệ chế tạo ạ có nhiều trong g tự ự nhiên Vật www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 11 Mô Hình Chung Của Hê Th ng TTQ • Nh ợc điểm c a 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 GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 12 M t S Vấn Đ V Quang V t 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) GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 13 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Các khái niệm chung (tt): ̇ B ớc sóng: • Ký hiệu: λ • Đơn vị: m » Theo không gian: λ - b ớc sóng (m) A A T λ= λ z (m) t (s) ((a)) www.ptit.edu.vn C f (b) GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 14 M t S Vấn Đ V Quang V t 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 l ợng E » E = hf www.ptit.edu.vn hay E= 1,24 (eV) ( m) GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 15 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Phổ sóng điện từ: www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 16 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Phổ sóng điện từ (tt): ̇ Ánh sáng thấy đ ợc 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) å không thấy đ ợc ̇ 3 vùng b ớc sóng (cửa sổ b ớc sóng) đ ợc sử dụng trong thông tin quang: 850 nm, nm 1300 nm và 1550 nm www.ptit.edu.vn GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 17 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Một số định luật quang cơ bản: ̇ Chiết suất c a môi tr ờng: n = C/v C: vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.108 m/s v: vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng đang xét ̇ Chiết suất c a một vài môi tr ờng thông dụng: • Không khí: • N ớc: ớ • Th y tinh: www.ptit.edu.vn n = 1,00029 ≈ 1,0 n = 4/3 ≈1,33 1 33 n = 1,48 GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 18 M t S Vấn Đ V Quang V t 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 GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 19 M t S Vấn Đ V Quang V t 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 th c 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 GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 20 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ̇ Phản xạ toàn phần (total reflection): • Toàn bộ tia tới quay trở lại môi tr ờng tới. • Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần: » n1 > n2 » θ1 > θc www.ptit.edu.vn θc là góc ó giới iới hạn; h sinθ i c = n2 / n1 GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 21 M t S Vấn Đ V Quang V t Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ̇ Khi xảy ra hiện t ợng pxtp, năng l ợng ánh sáng đ ợc bả toàn bảo à theo h h ớng ớ truyền ề » www.ptit.edu.vn ng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh sáng qua sợi quang GI NG VIÊN: Đ V N VI T EM - PH M QU C H P B MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VI N THÔNG 2 Trang 22