Bài giảng Kỹ thuật thông tin quang - Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật tông tin quang - Đỗ Văn Việt Em

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: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2
Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn
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 HỢPBỘ 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 HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3
Lịch Sử Phát Triển
• 1790: Claude Chappe (Pháp)
ƒ Điện báo quang
ƒ 200km trong vòng 15 phút 
• 1870: John Tyndall (Anh)
ể ẫƒ Chứng minh ánh sáng có th d n 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
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4
Lịch Sử Phát Triển
• 1934: Norman R.French (Mỹ)
ƒ Nhận bằng 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 A S h l à Ch l H T (Mỹ)• : . c aw ow v ar es . ownes
ƒ Xây dựng và phát triển laser
ƒ Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y học quân sự , 
ÆNguồn quang dùng trong thông tin quang
• 1966: Charles H Kao và George A Hockham (Mỹ) . . 
ƒ Dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng
ƒ Suy hao lớn ( > 1000dB/km) 
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5
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 ~ . 
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Sơ đô ̀ khối cơ bản, gồm có:
ƒ Bộ phát quang (E/O)
ƒ Bộ thu quang (O/E)
ƒ Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Chức năng chính các khối
ƒ Khối E/O: điều chê ́ 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 truyền dẫn tín hiệu quang từ 
đầu phát đến đầu thu.
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Trạm lặp (repeater)
ƒ Khuếch đại tín hiệu bị suy yếu do suy hao trên sợi quang
ƒ Trạm lặp làm việc theo nguyên ly ́: quang – điện – quang
(O – E – O)
N ài để kh ế h đ i tí hiệ ò ó thể ửƒ go ra, u c ạ n u quang c n c s
dụng các bô ̣ 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 HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9
Mô Hình Chung Của Hê Thống TTQ
• Nguyên tắc truyền tin:
ƒ Tín hiệu truyền có tần số trong miền quang.
ƒ Có thể truyền hai hướng trên một sợi quang. Thông
thường sử dụng 2 sợi quang cho một tuyến va ̀ chỉ 
truyền một hướng trên 1 sợi quang. 
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10
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
H à t à á h điệƒ o n o n c c n
ƒ Không bị can nhiễu của trường điện từ
ƒ Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể 
ƒ Tính bảo mật cao
ƒ Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 11
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 .
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12
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)
TA λA
t (s) z (m)
(a) (b)
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 13
Một Số Vấn Đề Về Quang Vật Lý
• Các khái niệm chung (tt):
ƒ Bước sóng:
• Ký hiệu: λ
• Đơn vị: m
» Theo không gian: λ - bước sóng (m)
f
C=λ
TA λA
t (s) z (m)
(a) (b)
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 14
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 lượng E 
» E = hf hay ( ) (eV)μmλ
1,24
E =
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ 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 HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 16
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 
780 (đỏ)nm 
ƒ Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm 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 , 
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ 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:
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
Nướ 4/3 1 33• c: n = ≈ ,
• Thủy tinh: n = 1,48
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ 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):
ƒ Ðịnh luật phản xạ ánh sáng: 
• Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới
• Góc phản xạ bằng góc tới (θ1' = θ1)
Tia tới
Tia phản xạ
Môi trường 1
Môi trường 2
n1
n2
1
2
1
'
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ 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):
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 tới
Tia phản xạ
Môi trường 1n1
1 1
'
Môi trường 2n2
2
Tia khúc xạ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 20
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
là ó iới h i /» θ1 > θc θc g c g ạn; s nθc = n2 n1
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 21
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 
bả à h h ớ ềo to n t eo ư ng truy n
» Ứng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh 
sáng qua sợi quang
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 22