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 -