Bài Giảng Kĩ thuật thông tin quang - Đỗ Văn Việt Em

Nội dung text: Bài Giảng Kĩ thuật thông tin quang - Đỗ Văn Việt Em

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Bộ môn: ThônggQg Tin Quang –Khoa Viễn thông 2 Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn
2. KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V Ề KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
3. NỘI DUNG CHƯƠNG 1 • Lịch sử pháttrit triển • Mô hình chung của hệ thống TTQ • Mộtst số vấn đề về quang v ật lý trong TTQ GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
4. Lịch Sử Phát Triển • 1790: Claude Chappe (Pháp) ƒ Điện báo quang ƒ 200km trong vòng 15 phút • 1870: John Tyndall (Anh) ƒ Chứng minh ánh sáng có thể dẫn theo vòi nước bị uốn cong ÆĐịnh luật phản xạ toàn phần • 1880: Alexander Graham Bell (Mỹ) ƒ Photophone: không thành công Æ Cần phải có một môi trường dẫn ánh sáng thích hợp GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
5. Lịch Sử Phát Triển • 1934: Norman R.French (Mỹ) ƒ Nhậnbằng sáng chế về hệ thống thông tin quang ƒ Dùng thanh thủy tinh để truyền ánh sáng Æ Môi trường truyền ánh sáng thích hợp • 1958: AShA. Schawl ow và Charl es HTH.Townes (Mỹ) ƒ Xây dựng và phát triểnlaser ƒ Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:y: y học, quân sự ÆNguồn quang dùng trong thông tin quang • 1966:Charles: Charles HKaoH.Kao và George A. Hockham (Mỹ) ƒ Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng ƒ Suy hao lớn (>( > 1000dB/km) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
6. Lịch Sử Phát Triển • 1970: Hãng Corning Glass Work (Mỹ) ƒ 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 dB/km tại λ=1550nm GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
7. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Sơđồ khốicơ bản, gồm có: ƒ Bộ phát quang (E/O) ƒ Bộ thu quang (O/E) ƒ Môi trường truyềndẫnlàcápsợi quang. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
8. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Chứcnăng chính các khối ƒ KhốiE/O: điềuchế tín hiệu điện thành tín hiệu quang ƒ Khối O/E: tách tín hiệu quang thành tín hiệu điện. ƒ Cáp sợi quang: môi trường truyềndẫntínhiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
9. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Trạmlặp (repeater) ƒ Khuếch đạitínhiệu bị suy yếudo suyhaotrênsợi quang ƒ Trạmlặplàmviệctheonguyênlý: quang – điện – quang (O – E – O) ƒ NàNgoài ra, để khuếch đại tín hiệu quang còncó thể sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Bộ khuếch đại quang làm việctrongmiền quang. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
10. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Nguyên tắctruyềntin: ƒ Tín hiệutruyền có tầnsố trong miền quang. ƒ Có thể truyềnhaihướng trên mộtsợi quang. Thông thường sử dụng 2 sợi quang cho mộttuyếnvà chỉ truyền một hướng trên 1 sợi quang. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
11. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Ưu điểm của hệ thống TTQ: ƒ Suy hao thấp ƒ Dải thông rộng ƒ Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ ƒ HàHoàn t tàoàn c áhách điện ƒ Không bị can nhiễu của trường điện từ ƒ Xuyên âm gi ữacácsa các sợi quang không đáng k ể ƒ Tính bảo mật cao ƒ Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
12. Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ • Nhược điểm của hệ thống TTQ: ƒ Vấn đề biến đổi quang điện. ƒ Hàn nối, đo thử sợi quang đòi hỏi thiết bị chuyên dụng đắt tiền. ƒ An toàn lao động. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
13. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Các khái niệm chung: ƒ 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 T A λ t (s) z (m) (a) (b) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
14. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Các khái niệm chung (tt): ƒ Bước sóng: • Ký hiệu: λ • Đơn vị: m C » Theo không gian: λ -bước sóng (m) λ = f A T A λ t (s) z (m) (()a) (b) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
15. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Ánh sáng có hai tính chất: ƒ Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ ƒ Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có năng l ượng E 1,24 » E = hf hay E = (eV) λ (μm ) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
16. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Phổ sóng điện từ: GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
17. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Phổ sóng điện từ (tt): ƒ Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến 780nm (đỏ) ƒ Ánh sáng dùng trong thông tin quang n ằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-1600nm) Æ không thấy được ƒ 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng trong thông tin quang: 850 nm, 1300 nm và 1550 nm GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
18. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản: ƒ 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 ƒ Chiết suất của một vài môi trường thông dụng: • Không khí: n = 1,00029 ≈ 1,0 • Nước: n = 4/3 ≈1,33 • Thủy tinh: n = 1,48 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
19. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ 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 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
20. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ 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 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
21. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ Phản xạ toàn phần (total reflection): • Toàn bộ tia tới quay trở lại môi trường tới. • Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần: » n1 > n2 θc là gó c giới hạn; sinθc = n2 / n1 » θ1 > θc GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
22. Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý • Một số định luật quang cơ bản (tt): ƒ Khi xảy ra hiện tượng pxtp, năng lượng ánh sáng được bảo toàhàn theo h ướng truyền » Ứng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh sáng qua sợi quang GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2