Bài giảng cơ sở kỹ thuật thông tin quang

  • Số trang: 216 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 49 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15337 tài liệu

Mô tả:

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM IT HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PT BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Nhóm biên soạn: TS. Nguyễn Đức Nhân ThS. Trần Thủy Bình ThS. Ngô Thu Trang ThS. Lê Thanh Thủy HÀ NỘI 12-2013 i LỜI MỞ ĐẦU Từ khi ra đời cho đến nay thông tin quang đã trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông. Trước đây, nhắc đến hệ thống truyền dẫn quang thì chúng ta thường nghĩ ngay đến các hệ thống truyền dẫn với tốc độ rất cao, dung lượng lớn đóng vai trò như các mạng đường trục của viễn thông. Nhưng giờ đây, thông tin quang còn được phát triển nhanh chóng ở cả cấp độ mạng truy nhập. Có thể thấy rằng để đáp ứng nhu cầu truyền tải do sự bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần phải phát triển cả về qui mô và cấu trúc mạng. IT Mạng truyền dẫn dựa trên hệ thống truyền thông sợi quang là xương sống của mạng viễn thông. Do vậy để xây dựng được các hệ thống thông tin quang chúng ta cần tìm hiểu đầy đủ về nó. Nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phần tử cơ bản cấu thành hệ thống thông tin sợi quang, các tham số và nguyên lý vận hành hệ thống, nhóm tác giả chúng tôi đã viết cuốn bài giảng “Kỹ thuật thông tin sợi quang” như là một kênh tài liệu tham khảo bổ ích cho môn học. Tài liệu gồm 5 chương với các nội dung cơ bản như sau:  Chương 1: Chúng tôi trình bày tổng quan về kỹ thuật thông tin sợi quang, lịch sử phát triển, sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang và một số khái niệm cơ bản liên quan đến kỹ thuật thông tin quang PT  Chương 2: Giới thiệu về cấu trúc của các loại sợi quang, quá trình lan truyền ánh sáng trong sợi quang theo quan điểm quang hình và sóng điện từ. Các đặc tính truyền dẫn cơ bản của sợi quang cũng được trình bày. Ngoài ra, chúng tôi giới thiệu về cấu trúc cơ bản cáp sợi quang và một số vấn đề khi kết nối cáp.  Chương 3: Bộ phát quang là một phần tử quan trọng trong hệ thống thông tin sợi quang. Trong chương này, chúng tôi giới thiệu cấu trúc và các đặc tính quan trọng của các nguồn phát quang bán dẫn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin sợi quang là LED và laser. Các vấn đề cơ bản trong thiết kế bộ phát quang điều biến cường độ sử dụng LED và laser cũng được trình bày.  Chương 4: Cấu trúc bộ thu tín hiệu quang và các phần tử chuyển đổi quang điện quan trọng là PIN và APD được trình bày cụ thể. Các vấn đề cơ bản về nhiễu và thiết kế bộ thu quang cũng được phân tích và đánh giá.  Chương 5: Giới thiệu về các vấn đề cơ bản trong thiết kế hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống thông tin quang số và hệ thống thông tin quang tương tự. Ngoài các vấn đề khi thiết kế hệ thống đơn kênh, một số khái niệm và nguyên lý của hệ thống đa kênh cũng được giới thiệu. ii PT IT Chúng tôi hy vọng rằng cuốn bài giảng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành viễn thông và những người quan tâm. Với một khối lượng lớn kiến thức nhưng nhóm tác giả cũng cố gắng chắt lọc để giới thiệu tới bạn đọc trong một số lượng trang sách nhất định để giúp bạn đọc nắm bắt những vấn đề cơ bản nhất của kỹ thuật thông tin sợi quang. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các quí thầy cô, các bạn sinh viên và những người quan tâm để hoàn thiện hơn cuốn tài liệu này. iii MỤC LỤC PT IT DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang 1.2 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 1.2.1 Băng tần phổ quang 1.2.2 Ghép kênh 1.2.3 Đơn vị công suất 1.3 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 1.3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi 1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang 1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang Chương 2 Sợi quang 2.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang 2.1.1 Cấu tạo sợi quang 2.1.2 Phân loại sợi quang 2.2 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 2.2.1 Mô tả theo quang hình học 2.2.2 Lý thuyết truyền sóng 2.3 Suy hao trong sợi quang 2.3.1 Hệ số suy hao sợi quang 2.3.2 Nguyên nhân gây suy hao 2.4 Tán sắc trong sợi quang 2.4.1 Khái niệm và phân loại tán sắc 2.4.2 Tán sắc mode 2.4.3 Tán sắc vận tốc nhóm 2.4.4 Tán sắc bậc cao 2.4.5 Tán sắc mode phân cực 2.5 Các giới hạn truyền dẫn gây ra bởi tán sắc 2.5.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 2.5.2 Truyền xung Gauss có chirp 2.5.3 Giới hạn về tốc độ bit 2.5.4 Độ rộng băng tần sợi quang 2.6 Các hiệu ứng quang phi tuyến 2.6.1 Nguồn gốc hiệu ứng quang phi tuyến 2.6.2 Hiệu ứng tán xạ kích thích 2.6.3 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 2.6.4 Trộn bốn sóng 2.7 Cáp sợi quang vii 1 1 6 6 9 10 11 11 12 14 15 17 17 17 17 20 20 23 36 36 37 44 44 45 47 54 54 57 57 58 62 65 67 67 68 72 74 75 iv PT IT 2.7.1 Chế tạo sợi quang 2.7.2 Cáp sợi quang 2.7.3 Hàn và kết nối sợi quang Chương 3 Bộ phát quang 3.1 Một số vấn đề cơ bản trong vật lí quang bán dẫn 3.1.1 Quá trình phát xạ và hấp thụ 3.1.2 Các vật liệu bán dẫn 3.1.3 Tiếp giáp p-n 3.1.4 Tái hợp không bức xạ 3.2 Nguồn LED 3.2.1 Cấu tạo và phân loại nguồn LED 3.2.2 Đặc tính của LED 3.3 Laser laser bán dẫn (LD) 3.3.1 Cấu tạo cơ bản của nguồn laser bán dẫn 3.3.2 Đặc tính của LD 3.3.3 Các nguồn LD đơn mode 3.4 Điều biến nguồn quang 3.5 Một số vấn đề trong thiết kế bộ phát quang 3.5.1 Ghép nối nguồn - sợi quang 3.5.2 Mạch kích thích nguồn quang 3.5.3 Ổn định nguồn quang Chương 4 Bộ thu quang 4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4.1.1 Đáp ứng của bộ thu 4.1.2 Hiệu suất lượng tử 4.1.3 Độ rộng băng tần nguồn thu 4.1.3.a Thời gian đáp ứng 4.2 CÁC LOẠI DIODE THU QUANG 4.2.1 Diode thu quang p-i-n 4.2.2 Diode thu quang thác APD 4.2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 4.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ BỘ THU 4.3.1 Phần trước (Front end) của bộ thu quang 4.3.2 Kênh tuyến tính 4.3.3 Mạch quyết định 4.3.4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại của bộ thu quang 4.3.4.a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 4.3.4.b Các bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 4.3.4.c Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngược 4.3.4.d Bộ thu quang có mạch tích hợp 4.4 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG 75 77 80 85 85 85 89 95 97 99 100 104 110 110 116 119 123 124 124 125 129 130 130 130 131 132 132 135 135 137 137 144 144 146 146 147 148 150 152 154 156 v PT IT 4.4.1 Các cơ chế nhiễu 4.4.1.a Nhiễu nổ 4.4.1.b Nhiễu nhiệt 4.4.2 Bộ thu p-i-n 4.4.3 Bộ thu sử dụng APD 4.5 Hiệu năng bộ thu quang 4.5.1 Xác suất lỗi 4.5.2 Độ nhạy thu 4.5.3 Giới hạn lượng tử của bộ thu quang 4.6 Kỹ thuật thu coherent 4.6.1 Khái niệm cơ bản 4.6.2 Kỹ thuật thu homodyne 4.6.3 Kỹ thuật thu heterodyne 4.6.4 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Chương 5 Hệ thống thông tin quang sợi 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 5.1.1 Tuyến điểm – điểm 5.1.2 Hệ thống thông tin quang số 5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự 5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống 5.2.1 Hệ thống bị giới hạn bởi suy hao 5.2.2 Hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc 5.2.3 Quỹ công suất quang 5.2.4 Quỹ thời gian lên 5.3 Bù công suất 5.3.1 Bù công suất do nhiễu mode 5.3.2 Bù công suất do nhiễu phần mode 5.3.3 Bù công suất do tán sắc 5.3.4 Bù công suất do chirping 5.3.5 Bù công suất do nhiễu phản xạ 5.4 Hệ thống đa kênh 5.4.1 Hệ thống thông tin quang WDM 5.4.2 Hệ thống thông tin quang OTDM 5.4.3 Hệ thống thông tin quang SCM 5.4.4 Hệ thống ghép kênh theo mã (CDM) 156 156 157 158 159 161 161 165 168 169 170 171 172 172 174 174 174 175 179 183 185 185 187 188 190 190 192 194 195 198 201 201 203 204 205 vi DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt A APD Avalanche Photodiode AR ASE Antireflection Coating Amplified Spontanous Emission Diode tách sóng quang thác Vỏ chống phản xạ Bức xạ tự phát được khuếch đại Bộ khuếch đại công suất Tỷ số lỗi bit Cấu trúc dị thể chon IT Booster Amplifier Bit Error Rate Burried Heterostructure Continous Wave Sóng liên tục Distributed Bragg Reflector Dispersion Compensation Fiber Distributed Feedback Dynamic Range Distributed Reflector Dense WDM Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Phản hồi phân bố Dải động Bộ phản xạ phân bố WDM mật độ cao Edge emitting LED LED phát xạ cạnh Field Effect Transistor Fabry – Perot Amplifier PT B BA BER BH C CW D DBR DCF DFB DR DR DWDM E ELED F FET FPA FPLD Fabry – Perot Laser Diode FWHM Full Width at Half Maximum FWM G GI GVD I Four Wave Mixing Transistor hiệu ứng trường Bộ khuếch đại Fabry – Perot Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất Trộn bốn sóng Graded Index Group Velocity Dispersion Chỉ sốGradien Tán sắc vận tốc nhóm vii IM IM – DD ISI L LA LD LED M MCVD MESFET Intensity Modulation Intensity Modulation – Direct Detection Intersymbol Interference Điều chế cường độ Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp Nhiễu giữa các kí tự Line Amplifier Laser diode Light Emitting Diode Khuếch đại đường truyền Diode laser Diode phát quang Modified Chemical Vapor Deposition Ngưng đọng hơi hóa chất biến đổi Metal Semiconductor Field Effect Transistor trường bán dẫn Transistor kim loại Mode Field Diameter Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor Đường kính trường mode Transistor trường oxit Silic kim loại MQW MZ Multiple Quantum Well Mach – Zehnder Giếng lượng tử Bộ điều chế Mach – Zehnder RZ S SBS PT N NA NF NLS O OA P PA PMD PIN R RIN RMS IT MFD MOSFET Numerical Aperture Noise Figure Nonlinear Schroedinger Khẩu độ số Hình ảnh nhiễu Schroedinger phi tuyến Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang Pre-Amplifier Polarization Mode Dispersion Positive Intrinsic Negative Bộ tiền khuếch đại Tán sắc mode phân cực Cấu trúc PIN Relative Intensity Noise Root Mean Square Return Zero Nhiễu cường độ tương đối Căn trung bình bình phương Trở về 0 Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích viii Phát xạ tự phát LED phát xạ cạnh Chỉ số chiết suất phân bậc Sợi quang đơn mode Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tự điều chế pha Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng IT Spontaneous Emission Surface emitting LED Step Index Single Mode Fiber Signal – to – Noise Ratio Self Phase Modulation PT SE SLED SI SMF SNR SPM W WDM ix Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang PT IT 1.1Lịch sử phát triển thông tin quang Hình 1-1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách BL trong khoảng thời gian 1850 đến 2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới. Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa. Tuy nhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chế truyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cáp đồng, viba số. Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin. Năng lực của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp. Việc ra đời các hệ thống truyền dẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ thống mạng viễn thông. Những phát triểncủa thông tin quang có được bắt nguồn từ những nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm 1 1960 và chế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70. Trong đó nổi bật phải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS. Charles K. Kao, người đã đoạt giải Nobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo sợi quang dùng cho thông tin quang. Giai đoạn nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảng năm 1975. Hình 1-2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin quang được thực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển. Các sản phẩm hệ thống thương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm. Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đến năm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt. Hình 1-3 cho thấy sự tăng về tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau. Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm. Mỗi thế hệ, BL PT IT tăng mạnh ở thời kỳ đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của nó. Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hơn hiệu năng của hệ thống. Hình 1-2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện sau năm 1980. Các đường chấm chỉ ra sự tăng trưởng theo dạng gần hàm mũ về tốc độ bit ở cả hai hệ thống nghiên cứu và hệ thống thương mại. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0,8 µm và sử dụng các nguồn laser bán dẫn GaAs. Các hệ thống này được thương mại hóa năm 1980 hoạt động tại tốc độ 45 Mb/s và cho phép khoảng cách lặp chỉ khoảng 10 km. Tuy là thế hệ thông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều so với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống thời đó. 2 Hình 1-3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thế hệ hệ thống thông tin quang. Các ký hiệu khác nhau mô tả cho các thế hệ kế tiếp nhau. IT Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạt động tại vùng bước sóng gần 1,3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1 dB/km. Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng PT này. Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thu bán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1,3 µm. Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kỷ 1980, nhưng tốc độ bít của các hệ thống ban đầu bị giới hạn dưới 100 Mb/s vì tán sắc trong các sợi đa mode. Giới hạn này được khắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng trong các hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó. Vào năm 1987, các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1,7 Gb/s với khoảng cách lặp khoảng 50 km đã sẵn có cung cấp cho thương mại. Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởi suy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1,3 µm (điển hình 0,5 dB/km). Các suy hao của các sợi quang nhỏ nhất ở gần 1,55 µm. Một mức suy hao cỡ 0,2 dB/km đã thực hiện được trong vùng phổ này. Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 1,55 µm bị chậm lại đáng kể bởi tán sắc lớn của sợi quang gần 1,55 µm. Các laser bán dẫn InGaAsP thông thường đã không thể sử dụng được vì sự trải rộng xung quang xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thời của một vài mode phát xạ dọc từ laser. Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc bằng các sợi dịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1,55 µm hoặc bằng giới hạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn. Cả hai tiếp cận này đã được thực hiện trong suốt thập kỉ 1980. Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng 3 thí nghiệm đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ lên tới 4 Gb/s trên khoảng cách lớn hơn 100 km. Các hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 2,5 Gb/s đã sẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990. Các hệ thốn như vậy cũng có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 10 Gb/s. Hiệu năng tốt nhất của hệ thống được thực hiện bằng việc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn laser đơn mode. Nhược điểm của hệ thống 1,55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được tái sinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp điện ở khoảng cách điển hình cỡ 60 – 70 km. Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng thêm nhờ sử dụng chế độ thu kết hợp homodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được độ nhạy bộ thu. Các hệ thống như vậy được gọi là các hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). Các hệ thống coherent cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tàng của IT chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên việc thương mại hóa các hệ thống này đã bị trì hoãn do sự ra đời của các bộ khuyếch đại quang sợi vào năm 1989. Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng PT khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tăng dung lượng truyền dẫn. Như thấy rõ trong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001.Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km. Các bộ khuyếch đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990. Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi mà các hệ thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi. Từ sau năm 1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độ Gb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới. 4 IT Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng PT dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời. Cửa sổ bước sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm. Nó sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các băng tần S và L tương ứng. Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếch đại tín hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyeechs đại EDFA không thực hiện được. Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm. Việc sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyeechs đại mới có thể cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM. Tiêu điểm của hệ thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM. Ý tưởng là để sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang quang. Mặc dù các định dạng như vậy đã được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống vô tuyến, nhưng việc sử dụng trong các hệ thống sợi quang chỉ được chú ý đến nhiều sau năm 2001. Nhờ sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị giới hạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8 b/s/Hz. Trong một thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã được thiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên khoảng cách 320 km bằng việc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L 5 với khoảng cách kênh 12,5 GHz. Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/s được ghép phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độ cầu phương (QAM). Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi. Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập. 1.2Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 1.2.1Băng tần phổ quang Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng năng lượng điện từ để IT phát tín hiệu. Phổ bức xạ điện từ (EM) được cho thấy trong hình 1-4. Năng lượng điện từ là sự tổ hợp của điện trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng vô tuyến, vi ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ. Bản chất cơ bản của tất cả các bức xạ PT trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lan truyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108 m/s trong chân không. Tốc độ của sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc độ c trong chân không bởi một hệ số chiết suất n: = (1.1) Hình 1-5 Phổ bức xạ sóng điện từ Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xác định qua một số các đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng, năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số 6 dao động của sóng. Khác với truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ các băng tần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụng bước sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động. Các đại lượng này liên hệ với nhau qua một số phương trình đơn giản. Trước hết, tốc độ ánh sáng trong chân không c bằng bước sóng l nhân với tần số n: = ln (1.2) trong đó tần số n được đo theo Hz. Tiếp theo, quan hệ giữa năng lượng của một photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng) của nó được xác định qua định luật Planck: = ℎn (1.3) trong đó tham số h = 6,63x10-34 J-s = 4,14 eV-s là hằng số Planck. Theo bước sóng (được đo theo µm), năng lượng theo đơn vị electron volt được xác định: )= , l( ) (1.4) IT ( Các hệ thống thông tin có thể được phân biệt qua các vùng phổ sóng điện từ sử dụng. Hình 1-5 cho thấy các vùng phổ cụ thể cho các hệ thống thông tin vô tuyến và quang sợi. Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến các băng tần sử dụng trải PT rộng từ băng tần cao HF tới VHF và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107, 108 và 109 Hz tương ứng. Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tại vùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng và kết quả cho phép tăng dung lượng truyền dẫn thông tin. Đối với thông tin quang, các vùng băng tần quang có tần số lớn hơn nhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi quang cho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùng lớn qua hệ thống. Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tím đến 1 mm trong vùng hồng ngoại xa. Ở giữa các vùng giới hạn này là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến 700 nm. Thông tin quang sợi sử dụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675 nm. Các hệ thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóng dài và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáu băng tần phổ sử dụng cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260 đến 1675 nm. Các chỉ định băng tần bước sóng dài này xuất phát từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ khuyếch đại EDFA. Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệ thống sợi quang đa mode bước sóng ngắn. Mỗi vùng phổ đều đòi hỏi các thành phần linh 7 PT IT kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tính khác nhau của các thành phần này sẽ dẫn đến hiệu năng cũng như ứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau. Hình 1-6 Các vùng phổ sóng điện từ sử dụng cho thông tin quang sợi và thông tin vô tuyến. Hình 1-7 Ký hiệu các băng tần phổ bước sóng dài do ITU-T quy định 8 1.2.2Ghép kênh Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau để truyền đồng thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệu quả dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Đối với hệ thống thông tin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức năng ghép kênh luôn đi kèm với hệ thống này. Các kỹ thuật ghép kênh thường được sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) và ghép kênh theo tần số (FDM). Trong trường hợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép xen trong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cách khác mỗi kênh sẽ được gán vào những khe thời gian xác định để truyền đồng thời qua hệ thống cùng với các kênh khác. Kỹ thuật TDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng viễn thông và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình phát triển. Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số, phân cấp số cận đồng bộ (PDH) được hình thành xác định các mức và số lượng kênh thoại được ghép. Phân IT cấp PDH như cho thấy trong hình 1-6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử dụng cho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến. Sự thiếu một tiêu chuẩn thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đã đòi hỏi sự ra đời một PT tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạng quang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là phân cấp số đồng bộ SDH. Bảng cho Hình 1-8 Phân cấp số cận đồng bộ PDH Bảng 1-1 Bảng tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH 9 Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần số trong đó mỗi kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt. Các tần số sóng mang cách nhau một khoảng tần lớn hơn độ rộng băng tần của kênh để tránh sự chồng phổ. FDM có thể được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sử dụng trong các hệ thống quảng bá. Trong các hệ thống viễn thông, chức năng ghép kênh thường được thực hiện trong miền điện trước khi chuyển đổi thành tín hiệu quang. Trường hợp FDM thực hiện hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép 1.2.3Đơn vị công suất IT kênh phân chia theo bước sóng WDM. Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợi quang để đặc trưng PT cho cường độ của tín hiệu quang trên hệ thống. Đại lượng công suất có thể được đo trên hai kiểu thang đo: - Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW - Thang đo logarithm với đơn vị dBm Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được sử dụng vì nó đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễn dải rộng giá trị mức công suất hay nói cách khác dễ dàng biểu diễn các mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ lớn. Thêm nữa việc tính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơn giản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tính nhân chia tỉ lệ trong thang đo tuyến tính. Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mức công suất theo thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau: ( ) = 10 ( ) (1.5) Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệ logarithm của P so với 1 mW. Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơn giản vì các giá trị điển hình mức công suất phát nằm trong dải này (chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1 mW). Như vậy dBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệt đối và một 10 quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW. Do đó, các giá trị công suất dương theo dBm là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theo dBm là nhỏ hơn 1 mW. Bảng cho một số ví dụ mức công suất quang theo hai đơn vị đo tương ứng. IT Bảng 1-2 Bảng ví dụ chuyển đổi mức công suất giữa đơn vị tuyến tính và dBm 1.3Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang PT 1.3.1Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang Hình 1-9 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang. Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, một kênh thông tin và một bộ thu, đây được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin. Các hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn (guided) và không dẫn (unguided). Trong trường hợp hệ thống quang có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế. Hình 1-9 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến. Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả 11
- Xem thêm -