Giáo trình Thông tin và điều độ trong hệ thống điện - Chương 5: Giới thiệu hệ thống thông tin sợi quang
Thäng Tin Va Âiãu ÂäTrong Hã Thäng Âiãn
Chæång 5
GIÅI THIÃU HÃ THÄNG THÄNG TIN
SÅI QUANG
5.1. Cáu truc chung cua mät HTTT såi quang:
Hçnh ve 5.1 thã hiãn cáu truc chung cua mät hã thäng thäng tin quang.
Cac tên hiãu âiãn tæ cac thiãt bë khac nhau nhæ: may âiãn thoai, Fax, may
tênh, may phat truyãn hçnh, cac thiãt bë âáu cuäi... âæa âãn âæåc biãn âäi
sang tên hiãu quang qua mät bä biãn âäi âiãn-quang (E/O) (cac mæc tên
hiãu âiãn âæåc biãn âäi thanh cæång âä quang, cac tên hiãu âiãn "1" va "0"
âæåc biãn âäi ra anh sang dang "CO" va "KHÄNG") va sau âo âæåc gæi
vao såi quang trong cap quang. Tai âáu thu qua bä biãn âäi quang-âiãn
(O/E) tên hiãu quang thu âæåc biãn âäi thanh tên hiãu âiãn, khäi phuc lai
nguyãn dang tên hiãu cua may âiãn thoai, Fax, dæ liãu... âa âæåc gæi âi. Tên
hiãu âa khäi phuc âæåc truyãn tåi cac thiãt bë âáu cuäi cua chàng truyãn
dán.
ꢀ
ꢀ
Âiãn thoai
Âiãn thoai
Fax
Fax
Sä liãu
Sä liãu
O/E
O/E
E/O
E/O
ꢀ
ꢀ
Såi quang
Såi quang
Tram làp
TV
<Tên hiãu âiãn>
<Tên hiãu âiãn>
Hçnh 5.1. Cáu truc HTTT såi quang
Bä biãn âäi âiãn quang thæc chát la linh kiãn phat quang nhæ la Laser
diode va bä biãn âäi quang-âiãn thæång la cac Photo diode. Khi khoang
cach truyãn dán lån ngæåi ta âàt cac tram làp trãn tuyãn cap quang. Cac
tram làp nay biãn âäi tên hiãu quang thu âæåc thanh tên hiãu âiãn âã khuãch
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
39
Thäng tin va Âiãu âä trong Hã Thäng Âiãn
âai. Tên hiãu âa âæåc khuãch âai âæåc biãn âäi thanh tên hiãu quang âã tiãp
tuc truyãn trãn tuyãn cap quang tiãp theo.
5.2. Âàc âiãm cua HTTT såi quang :
Hã thäng thäng tin såi quang co mät sä æu âiãm so våi cac hã thäng
sæ dung cap âäng cä âiãn do sæ dung cac âàc tênh cua såi quang, linh kiãn
thu quang va phat quang.
Såi quang co cac âàc âiãm chu yãu sau:
1. Sæ suy hao tháp cua tên hiãu (chát læång tät hån so våi cap song
hanh kim loai hay cap âäng truc ...).
2. Cap såi quang co thã truyãn tai tên hiãu co tán sä cao hån rát nhiãu
so våi cap âäng truc.
3. Âæång kênh såi quang nho, trong læång nhe so våi cap âäng. Mät
såi cap quang co cung âæång kênh våi cap kim loai co thã chæa mät sä
læång lån loi såi quang hån sä læång loi såi kim loai cung kêch cå. Cac âàc
âiãm nay cua såi quang co æu âiãm rát lån khi làp âàt cap.
4. Såi quang co âàc tênh cach âiãn vç thuy tinh khäng dán âiãn. Do
váy cap såi quang khäng chëu anh hæång cua âiãn tæ træång bãn ngoai
(chàng han tæ cac âæång dáy hay cap âiãn cao ap, song vä tuyãn va truyãn
hçnh v.v...). Trong nganh âiãn cap quang co thã âæåc âàt bãn trong dáy
chäng set trãn âæång dáy truyãn tai âiãn.
5. Sæ dung cap quang cho phep tiãt kiãm tai nguyãn vç thach anh la
nguyãn liãu chênh âã san xuát såi quang. Nguän nguyãn liãu nay däi dao
hån nhiãu so våi kim loai va hån næa, chè cán mät læång nho nguyãn liãu
thach anh la co thã chã tao âæåc mät âoan cap quang tæång âäi dai.
Hån næa, truyãn dán såi quang nhå ghep kãnh dung læång lån (rát
nhiãu tên hiãu âæåc ghep lai våi nhau thanh mät âæång va âæåc truyãn qua
tuyãn truyãn dán) cho phep thæc hiãn cac dëch vu truyãn video âang co nhu
cáu phat triãn lån va se lam cho gia truyãn tin giam tháp.
Thäng tin quang cung cho phep truyãn dán âäng thåi cac tên hiãu co
bæåc song khac nhau (ghep tán sä). Âàc tênh nay cung våi kha nàng truyãn
dán bàng räng cua såi quang sàn co lam cho dung læång truyãn dán cua
tuyãn trå nãn rát lån.
Âæång kênh nho, trong læång be cua såi quang lam giam khoang
khäng trong qua trçnh làp âàt cap. Âiãu nay mät lán næa cai thiãn tênh kinh
tã trong mang læåi viãn thäng va lam thuán tiãn, dã dang trong khi làp âàt
40
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
Thäng Tin Va Âiãu ÂäTrong Hã Thäng Âiãn
va bao dæång. Æu âiãm cua såi quang la khäng dán âiãn, nhæ váy khäng
cán thiãt phai tach cap thäng tin ra khoi cac thiãt bë gáy ra cam æng âiãn tæ
træång, bao vã an toan cho cäng nhán cung nhæ än âënh chát læång thäng
tin.
5.3. Såi quang:
5.3.1. Cáu truc såi quang:
Såi quang co thã hiãu la "såi manh dán anh sang", bao gäm hai chát
âiãn mäi trong suät khac nhau (chát âiãn mäi nhæ thuy tinh hoàc nhæa) mät
phán cho anh sang truyãn trong âo goi la loi såi, phán con lai la låp vo bao
quanh loi. Såi quang âæåc cáu tao sao cho anh sang âæåc truyãn dán chè
trong loi såi bàng phæång phap sæ dung hiãn tæång phan xa toan phán anh
sang. Hiãn tæång nay âæåc tao nãn do cáu tao cua såi quang co chiãt suát
låp vo n2 nho hån chiãt suát låp loi n1 khoang 0,2 hoàc 0,3% (n1 > n2).
n2
n1
n2
Hçnh 5.2. Cáu truc såi quang
Såi quang co âæång kênh rát be, âæång kênh låp vo vao khoang 0,1
mm. Loi dán anh sang cua såi co âæång kênh con nho hån nhiãu, âæång
kênh nay cå khoang mät vai µm (1 µm = 10-3 mm), so våi bæåc song truyãn
tai no lån hån khoang vai chuc lán. Cap quang bao gäm nhiãu såi quang
bãn trong.
5.3.2. Qua trçnh âæa anh sang vao såi quang :
Anh sang phat ra tæ nguän phat quang bë khuãch tan do nhiãu xa.
Muän âæa anh sang vao loi cua såi cán phai táp trung anh sang. Tuy nhiãn
khäng phai tát ca anh sang âæåc táp trung âãu co thã âæa vao såi ma chè
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
41
Thäng tin va Âiãu âä trong Hã Thäng Âiãn
mät phán co goc tåi nàm trong mät giåi han nhát âënh måi co thã âæa âæåc
vao loi såi quang.
Nhæ trçnh bay trãn hçnh 5.3, tai âiãm âæa vao cua såi quang chia thanh
ba mäi træång liãn nhau co chiãt suát khuc xa khac nhau. Âo la mäi træång
khäng khê, loi va vo cua såi quang. Cho cac gia trë chiãt suát nay lán læåt
bàng n0 (=1), n1 va n2. Ta co thã ap dung cac âënh luát khuc xa va phan xa
tai cac biãn tiãp giap giæa khäng khê va loi, giæa loi va vo.
Å âáy goc nhán lån nhát θmax la goc må âäi våi tia tåi sä 2 co goc tåi
bàng goc tåi han nhæ trãn hçnh 5.3.
Tai biãn cua khäng khê va loi, loi va vo, ap dung âënh luát khuc xa anh
sang Snell ta co hai phæång trçnh nhæ sau :
n0sinθmax = n1 sinθc
n1sin (900 - θc) = n2 sin 900 = n2
hay:
n0sinθmax = n1 sinθc
cosθc = n2 / n1
Goc må lån nhát θmax âæåc tênh nhæ sau :
n12 - n22
sinθmax
=
θmax = arcsin( n12 - n22 )
Loi n1
Hçnh 5.3. Goc nhán cua såi quang
Âai læång sinθmax âæåc goi la kháu âä sä NA (Numerical Aperture),
no cho ta biãt âiãu kiãn âæa anh sang vao såi quang. Âáy la thäng sä cå ban
tac âäng âãn hiãu suát ghep näi giæa nguän sang va såi quang.
42
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
Thäng Tin Va Âiãu ÂäTrong Hã Thäng Âiãn
Vê du, mät såi quang co chiãt suát khuc xa la n1 = 1,475 va n2 = 1,46
(âä lãch chiãt suát tæång âäi = 1%) se co NA = 0,21
Nãu biãt âæåc âæång kênh loi va kháu âä sä NA cua såi quang thç xac
âënh âæåc læång anh sang vao loi såi. Âæång kênh loi såi cang lån va NA
cang lån se cho hiãu suát ghep näi cao.
Trong såi quang, giao thoa giæa anh sang tåi co goc phan xa xac âënh
våi anh sang phan xa gáy ra phán bä cæång âä âiãn træång xac âënh. Âæång
truyãn cua anh sang bë giåi han trong såi quang våi goc phan xa xac âënh
cung nhæ phán bä cæång âä âiãn træång xac âënh âæåc goi la mode lan
truyãn.
Sä læång mode lan truyãn anh sang N la mät sä nguyãn lån nhát thoa
man âiãu kiãn:
2a.sinθc ≥ N.λ/2
trong âo θc âæåc tênh nhæ å trãn nhæ sau :
sinθc = sinθmax/n1 = n12 - n22 /n1
2a: âæång kênh cua loi såi quang.
Tæ âo ta co N la sä nguyãn lån nhát thoa man âiãu kiãn:
N ≤ (4a/λ).( n12 - n22 /n1 )
Vç λ = λ0/n1 ,nãn
N ≤ (4a/λ0). n12 - n22
Vê du cho n1 = 1,475, n2 = 1,46, 2a = 50 µm va λ = 1,3 µm thç ta co sä
læång mode la N = 16.
Såi quang co sä læång mode truyãn lan nhiãu nhæ âa noi å vê du trãn
âæåc goi la såi âa mode (co N>1).
Nãu n1=1.463, n2 = 1,46, 2a = 10µm va bæåc song anh sang λ=1,3µm ta co
N=1.
Å âáy N = 1 co nghéa la chè co thã tän tai mät mode truyãn lan anh
sang. Såi quang chè co mät mode truyãn lan nhæ vê du nay thç âæåc goi la
såi âån mode.
Vç sä læång mode truyãn lan la ham sä cua bæåc song λ nãn nãu såi co
thã âæåc sæ dung nhæ såi âån mode å bæåc song nay thç âäi våi bæåc song
ngàn hån khäng con la såi âån mode næa.
Bæåc song nho nhát ma tai âo, såi quang lam viãc nhæ såi âån mode
âæåc goi la bæåc song càt.
Bæåc song càt λc co thã âæåc tênh theo phæång trçnh :
λc = 4a n12 - n22
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
43
Thäng tin va Âiãu âä trong Hã Thäng Âiãn
5.3.3. Phán loai såi quang :
Nhæ trong bang 5.1, såi quang âæåc phán loai theo nhiãu cach nhæ
phán loai theo vát liãu âiãn mäi sæ dung, theo mode truyãn dán, theo phán
bä chiãt suát khuc xa cua loi v.v...
Bang 5.1. Phán loai såi quang
Såi quang thach anh
Phán loai theo vát liãu âiãn mäi
Phán loai theo Mode truyãn lan
Såi quang thuy tinh âa vát liãu
Såi quang bàng nhæa
Såi quang âån mode
Såi quang âa mode
Såi quang chiãt suát bác (SI)
Såi quang chiãt suát biãn âäi âãu
(GI)
Phán loai theo phán bä chiãt suát
khuc xa
a) Phán loai theo vát liãu âiãn mäi :
Khi phán loai theo vát liãu âiãn mäi thç co täng sä 03 loai, mät loai såi
bao gäm phán lån thuy tinh thach anh, mät loai gäm nhiãu loai vát liãu
thuy tinh va mät loai la såi bàng nhæa.
Cac såi quang thach anh khäng nhæng chè chæa thach anh nguyãn chát
(SiO2) ma con co cac tap chát thãm vao nhæ Ge, B va F v.v.. âã lam thay
âäi chiãt suát khuc xa.
Cac såi quang âa vát liãu co thanh phán chu yãu la soda lime, thuy
tinh hoàc thuy tinh boro - silicat v.v... Âäi våi vát liãu san xuát såi quang
bàng nhæa, silicon resin va acrelie resin (tæc la Polymethyl methacrylate :
PMMA) thæång âæåc sæ dung.
Âäi våi mang læåi viãn thäng, såi quang thuy tinh thach anh âæåc sæ
dung nhiãu nhát båi vç no co kha nàng cho san phám co âä suy hao háp va
cac âàc tênh truyãn dán än âënh trong thåi gian dai. Nhæng cac loai såi bàng
nhæa thæång âæåc sæ dung å nhæng nåi cán truyãn dán cæ ly ngàn, kho âi
cap bàng may moc, thuán tiãn trong sæ dung làp âàt thu cäng (nhæ dã dang
han näi, khäng phæång hai âãn cac âàc tênh truyãn dán khi be gáp v.v..)
màc du loai nay co âàc tênh truyãn dán kem.
b) Phán loai theo Mode lan truyãn:
44
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
Thäng Tin Va Âiãu ÂäTrong Hã Thäng Âiãn
Theo Mode lan truyãn, såi quang âæåc chia thanh hai nhom. Mät la
såi quang âån mode (âæåc goi tàt la loai SM) loai nay chè cho mät mode
lan truyãn. Loai såi thæ hai la loai âa mode, cho phep nhiãu mode lan
truyãn.
c) Phán loai theo phán bä chiãt suát khuc xa:
Cac såi quang co thã tam phán loai thanh hai nhom theo phán bä chè
sä khuc xa cua loi såi. Mät loai goi la såi quang chiãt suát phán bác (Step
Index viãt tàt la SI) å loai såi nay chiãt suát thay âäi theo bác giæa loi va
vo. Loai thæ hai goi la såi quang chiãt suát biãn âäi (Graded Index viãt tàt
la GI). Loai nay co chiãt suát thay âäi mät cach tæ tæ.
n2
n1
n2
Hçnh 5.4.a Såi quang chiãt suát phán bác
n2
n1
n2
Hçnh 5.4.b Såi quang chiãt suát biãn âäi
Cac tham sä cå ban âã xac âënh cáu truc såi quang la âæång kênh loi
såi, âæång kênh låp bao (âæång kênh vo), kháu âä sä (NA), dang phán bä
chiãt suát khuc xa v.v... Thãm vao âo, con co cac thäng sä phu khac nhæ ty
sä khäng âäng tám, ty sä khäng tron.
5.4. Cac bä biãn âäi:
5.4.1. Bä biãn âäi âiãn-quang (E/O):
Bä biãn âäi âiãn-quang (E/O) co nhiãm vu phat ra song quang,
chuyãn âäi dong âiãn iE å âáu vao thanh song quang å âáu ra co cäng suát
quang ΦE/O âæåc thã hiãn dæåi dang cäng suát cua song âiãn tæ :
ΦE/O = a0 + a1iE
trong âo a0, a1 la cac hàng sä.
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
45
Thäng tin va Âiãu âä trong Hã Thäng Âiãn
Trong træång håp ly tæång cäng suát quang phat ra ΦE/O phai tè lã våi
cæång âä dong âiãn kêch thêch iE (hã sä ao = 0):
ΦE/O = a1iE
Hã sä tè lã a1 âàc træng cho hiãu suát bæc xa quang.
Màt khac cäng suát âiãn PE âàt å âáu vao cua bä biãn âäi âiãn-
2
quang co thã coi la tè lã våi bçnh phæång dong âiãn iE . Vç váy cäng suát
quang bæc xa se tè lã våi càn bác hai cua cäng suát âiãn âàt å âáu vao cua
bä biãn âäi âiãn-quang. Cac bä biãn âäi nay thæång la cac diode laser (LD)
hay diode phat quang (LED).
5.4.2. Bä biãn âäi quang - âiãn (O/E):
Å phêa âáu ra cua såi quang, cäng suát quang thu nhán âæåc ΦO/E se
âæåc chuyãn âäi ngæåc lai thanh dong âiãn iR å âáu ra båi bä biãn âäi
quang- âiãn O/E.
iR = σ0 . ΦO/E
σ0 : hã sä âap æng
Màt khac do cäng suát tên hiãu âiãn PR thu âæåc tè lã våi bçnh
2
phæång dong âiãn iR nãn cäng suát nay tè lã våi bçnh phæång cua cäng suát
song quang. Hoat âäng cua bä thu hoan toan âäi xæng lai våi bä phat. å
âáu vao cua no. Cac bä biãn âäi quang-âiãn thæång la cac Photo diode.
5.5. Cac thäng sä cå ban cua hã thäng thäng tin såi quang:
- Täc âä bit D nhë phán cán truyãn.
- Chiãu dai l cua âæång truyãn.
- Xac suát sai ε trãn mäi bit cháp nhán âæåc.
46
Khoa Âiãn - Træång Âai hoc Ky thuát - Âai hoc Âa Nàng
8 trang
20200
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Thông tin và điều độ trong hệ thống điện - Chương 5: Giới thiệu hệ thống thông tin sợi quang", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_thong_tin_va_dieu_do_trong_he_thong_dien_chuong_5.pdf
