TS. Vò V¨n San
HiÖu ®Ýnh: GS.TSKH. §ç Trung T¸
HÖ thèng th«ng tin quang
(TËp 1)
Nhμ xuÊt b¶n b−u ®iÖn
Lêi giíi thiÖu
H¬n 10 n¨m ®æi míi, c¬ së h¹ tÇng viÔn th«ng vμ c«ng nghÖ th«ng tin
cña ViÖt Nam cã nh÷ng b−íc ph¸t triÓn ®ét ph¸ gãp phÇn rÊt quan träng vμo
viÖc thóc ®Èy qu¸ tr×nh ph¸t triÓn kinh tÕ cña ®Êt n−íc.
Tõ mét m¹ng l−íi viÔn th«ng víi c«ng nghÖ analog l¹c hËu, ViÔn th«ng
ViÖt Nam ®· tiÕn hμnh mét cuéc c¸ch m¹ng khoa häc vμ c«ng nghÖ ch−a tõng
cã, ®i th¼ng vμo hiÖn ®¹i, b»ng chiÕn l−îc t¨ng tèc ®Ó chuyÓn toμn bé m¹ng
l−íi cò sang m¹ng míi linh ho¹t víi kü thuËt sè tiªn tiÕn, ®¸p øng mäi nhu
cÇu vÒ dÞch vô viÔn th«ng cho ®Êt n−íc. M¹ng viÔn th«ng ViÖt Nam ®· cã
m¹ng ®−êng trôc c¸p sîi quang hiÖn ®¹i kÕt nèi víi c¸c m¹ng c¸p quang quèc
tÕ trªn biÓn vμ lôc ®Þa vμ hÖ thèng c¸c ®μi vÖ tinh ®Ó liªn l¹c víi c¸c quèc gia
trªn thÕ giíi.
Trong sù ph¸t triÓn cña m¹ng viÔn th«ng ViÖt Nam, th«ng tin quang ®·
cã nh÷ng ®ãng gãp ®Çu tiªn vμ rÊt quan träng vÒ c¶ quy m« ph¸t triÓn còng
nh− n©ng cao chÊt l−îng toμn m¹ng. HÖ thèng th«ng tin b»ng c¸p sîi quang lμ
hÖ thèng truyÒn dÉn víi kü thuËt vμ c«ng nghÖ tiªn tiÕn nhÊt, cho phÐp t¹o ra
c¸c tuyÕn truyÒn dÉn dμi vμ dung l−îng rÊt lín, nã tiÒm tμng kh¶ n¨ng truyÒn
t¶i l−u l−îng b¨ng réng vμ cung cÊp cïng lóc nhiÒu dÞch vô linh ho¹t, chÊt
l−îng cao. V× vËy, th«ng tin quang sÏ ®¸p øng nhu cÇu ph¸t triÓn m¹ng truyÒn
dÉn trong thêi gian tíi ®©y, ®Æc biÖt lμ phôc vô cho ph¸t triÓn ®ét ph¸ Internet
tèc ®é cao vμ c¸c dÞch vô IP.
C¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®ang khai th¸c hiÖn nay míi chØ tËn dông
®−îc mét phÇn nhá kh¶ n¨ng cña nã. C«ng nghÖ th«ng tin sîi quang vÉn ®ang
tiÕp tôc ph¸t triÓn rÊt m¹nh ë tr×nh ®é cao vμ v× thÕ cÇn tiÕp tôc t×m hiÓu, khai
ph¸ vμ cã gi¶i ph¸p ¸p dông nã cã hiÖu qu¶ h¬n trªn m¹ng l−íi.
Lμ mét c¸n bé nghiªn cøu víi nhiÒu n¨m chuyªn s©u vÒ lÜnh vùc th«ng
tin quang, víi kiÕn thøc vμ kÕt qu¶ thu ®−îc trong qu¸ tr×nh lμm viÖc t¹i ViÖn
Khoa häc kü thuËt B−u ®iÖn thuéc Häc viÖn c«ng nghÖ B−u chÝnh ViÔn th«ng
cña m×nh, TiÕn sÜ Vò V¨n San ®· t©m huyÕt biªn so¹n cuèn “HÖ thèng th«ng
tin quang” nμy. Cuèn s¸ch gåm hai tËp cã néi dung phong phó mang tÝnh hiÖn
®¹i tiÕp cËn víi c«ng nghÖ c¸p sîi quang, hÖ thèng th«ng tin quang, vμ cÊu
tróc m¹ng quang. C¸c phÇn néi dung ®−îc dÉn d¾t vμ ph©n tÝch kh¸ s©u s¾c
theo h−íng g¾n liÒn víi thùc tiÔn. Cuèn s¸ch sÏ rÊt bæ Ých cho ng−êi lμm c«ng
t¸c kü thuËt chuyªn ngμnh ®Ó cã thªm nh÷ng th«ng tin h÷u hiÖu trong viÖc
ho¹ch ®Þnh ph¸t triÓn m¹ng, tÝnh to¸n thiÕt kÕ cÊu h×nh tuyÕn vμ lùa chän ¸p
i
dông nh÷ng tiÕn bé kü thuËt, c«ng nghÖ míi vÒ th«ng tin quang. Cuèn s¸ch
còng gióp cho c¸c b¹n trÎ, c¸c häc viªn ®¹i häc vμ sau ®¹i häc muèn t×m hiÓu
mét c¸ch hÖ thèng vÒ th«ng tin quang ®ang ®−îc sö dông cã hiÖu qu¶ trªn
m¹ng l−íi viÔn th«ng ViÖt Nam còng nh− nh÷ng xu h−íng ph¸t triÓn th«ng tin
quang trªn thÕ giíi.
Xin tr©n träng giíi thiÖu cïng b¹n ®äc.
Bé tr−ëng
Bé B−u chÝnh ViÔn th«ng
GS. TSKH §ç Trung T¸
ii
môc lôc
Lêi giíi thiÖu
Lêi më ®Çu
VIẾT TẮT
Ch−¬ng - 1 Giíi thiÖu ...................................................................................... 7
1.1. Kh¸i qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin quang ................................................................7
1.2. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang ........................................................10
1.3. C¸c thμnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng th«ng tin quang .............................................13
Ch−¬ng - 2 sîi vμ c¸p quang ................................................................... 16
2.1. Sîi quang....................................................................................................................16
2.1.1 §Þnh luËt c¬ b¶n cña ¸nh s¸ng trong sîi quang ..............................................16
2.1.2 Sîi quang vμ c¸c mode truyÒn dÉn ...................................................................18
2.1.3 TruyÒn dÉn sãng trong sîi quang........................................................................23
2.1.3.1 C¸c ph−¬ng tr×nh Maxwell ..............................................................................23
2.1.3.2 Sîi quang ®a mode chØ sè chiÕt suÊt ph©n bËc.................................................26
2.1.3.3 Sîi quang ®¬n mode ........................................................................................36
2.1.3.4 Sîi ®a mode chØ sè chiÕt suÊt gradien..............................................................39
2.1.4 C¸c vËt liÖu chÕ t¹o vμ ®Æc tÝnh c¬ häc cña sîi quang ..........................................44
2.1.4.1 VËt liÖu chÕ t¹o sîi ..........................................................................................44
2.1.4.2 §Æc tÝnh c¬ häc cña sîi quang.........................................................................46
2.2. Suy hao sîi quang ......................................................................................................49
2.2.1 Suy hao trong sîi quang......................................................................................49
2.2.1.1 HÊp thô vËt liÖu trong sîi quang ................................................................49
2.2.1.2 Suy hao do t¸n x¹ .......................................................................................51
2.2.2 Suy hao uèn cong................................................................................................52
2.3. T¸n s¾c trong sîi quang ®¬n mode ............................................................................56
2.3.1 T¸n s¾c vËn tèc nhãm .........................................................................................58
2.3.2 T¸n s¾c vËt liÖu ...................................................................................................59
2.3.3 T¸n s¾c dÉn sãng.................................................................................................61
2.3.4 T¸n s¾c bËc cao...................................................................................................62
2.3.5 T¸n s¾c ph©n cùc mode.......................................................................................63
2.4. ¶nh h−ëng cña t¸n s¾c ®Õn hÖ thèng th«ng tin quang ...............................................65
2.4.1 Ph−¬ng tr×nh truyÒn dÉn c¬ b¶n.........................................................................65
2.4.2 C¸c xung Gaussian bÞ chirp ...............................................................................67
2.4.3 T¸n s¾c giíi h¹n tèc ®é truyÒn dÉn....................................................................70
2.4.4 B¨ng tÇn sîi quang.............................................................................................73
2.5. Giíi thiÖu mét sè sîi quang míi ................................................................................75
2.5.1 Nguyªn t¾c t¹o sîi quang míi ............................................................................75
3
2.5.2 C¸c sîi dÉn quang ®¬n mode míi trong th«ng tin quang ...................................79
2.6. C¸p sîi quang..............................................................................................................84
2.6.1 C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ sîi..............................................................................84
2.6.2 C¸c phÇn tö cña c¸p .....................................................................................86
2.6.2.1 Lâi c¸p ...................................................................................................86
2.6.2.2 Thμnh phÇn gia c−êng............................................................................87
2.6.2.3 Vá c¸p ....................................................................................................88
2.6.3 C¸c lo¹i c¸p vμ øng dông .............................................................................89
2.6.3.1 C¸p treo .................................................................................................89
2.6.3.2 C¸p kÐo trong cèng ................................................................................90
2.6.3.3 C¸p ch«n trùc tiÕp ..................................................................................90
2.6.3.4 C¸p ®Æt trong nhμ vμ c¸p nh¶y ...............................................................90
2.6.3.5 C¸p ngËp n−íc vμ th¶ biÓn .....................................................................91
Ch−¬ng - 3
ThiÕt bÞ ph¸t quang ........................................................... 93
3.1. C¸c quan niÖm c¬ b¶n ................................................................................................93
3.1.1 C¸c vïng n¨ng l−îng ..........................................................................................93
3.1.2 TiÕp gi¸p pn ........................................................................................................96
3.2. Nguån ph¸t quang .....................................................................................................98
3.2.1 Diode ph¸t quang LED ......................................................................................98
3.2.1.1 CÊu tróc cña LED ........................................................................................98
3.2.1.2 VËt liÖu chÕ t¹o nguån ph¸t.......................................................................101
3.2.1.3 øng dông cña LED trong th«ng tin quang ................................................103
3.2.2 Diode laser b¸n dÉn .........................................................................................105
3.2.2.1 C¸c mode vμ ®iÒu kiÖn ng−ìng cña laser ..................................................105
3.2.2.2 TÇn sè céng h−ëng ....................................................................................109
3.2.2.3 CÊu tróc cña diode laser vμ mÉu bøc x¹ ....................................................111
3.2.2.4 Diode laser ®¬n mode................................................................................115
3.2.2.5 §iÒu chÕ diode laser ë tÇn sè cao .............................................................118
3.2.2.6 C¸c ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ......................................................................118
3.2.2.7 NhiÔu trong nguån ph¸t laser ....................................................................120
3.2.2.8 Xem xÐt ®é tin cËy cña nguån ph¸t...........................................................121
3.3. ThiÕt kÕ thiÕt bÞ ph¸t quang .....................................................................................124
3.3.1 CÊy ghÐp vμ ®ãng hép laser-sîi........................................................................124
3.3.2 M¹ch håi tiÕp quang .........................................................................................126
3.3.3 M¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn .......................................................................................127
3.3.4 TÝch hîp quang - ®iÖn .......................................................................................128
Ch−¬ng- 4
ThiÕt bÞ thu quang............................................................. 130
4.1. Giíi thiÖu................................................................................................................130
4.2. Bé t¸ch sãng photodiode ......................................................................................131
4.2.1. Bé t¸ch sãng quang photodiode p- i – n .........................................................131
4
4.2.2. Thêi gian ®¸p øng vμ dßng photo vïng tr«i cña bé t¸ch sãng quang ...............135
4.2.2.1 Thêi gian ®¸p øng...................................................................................135
4.2.2.2 Dßng photo vïng tr«i .............................................................................137
4.2.3. Photodiode th¸c APD..........................................................................................138
4.2.4. VËt liÖu chÕ t¹o photodiode ................................................................................142
4.3. Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu cña bé t¸ch sãng quang ...................................................143
4.3.1. C¸c nguån nhiÔu trong bé t¸ch sãng quang......................................................144
4.3.1.1 C¸c nguån nhiÔu cña bé t¸ch sãng p-i-n.................................................144
4.3.1.2 C¸c nguån nhiÔu cña bé t¸ch sãng APD.................................................146
4.3.2. Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu ...................................................................................147
4.4. Bé thu quang............................................................................................................149
4.4.1. CÊu h×nh bé thu quang......................................................................................149
4.4.2. C¸c nguån lçi trong bé thu quang ....................................................................152
4.5. §é nh¹y thu cña bé thu quang ...............................................................................153
4.5.1. Giíi thiÖu vÒ ®é nh¹y thu..................................................................................153
4.5.2. §é nh¹y thu vμ tû sè lçi bit cña bé thu quang .................................................155
4.5.2.1. Tû sè lçi bit trong bé thu quang ................................................................155
4.5.2.2. §é nh¹y thu cña bé thu quang .................................................................160
4.5.3. C¸c tham sè cã ¶nh h−ëng tíi ®é nh¹y thu quang ............................................162
4.5.3.1. Giíi h¹n l−îng tö trong t¸ch sãng quang .................................................162
4.5.3.2. Tû sè ph©n biÖt ..........................................................................................163
4.6. CÊu tróc m¹ch bé thu quang....................................................................................164
4.6.1 C¸c m¹ch tiÒn khuÕch ®¹i FET trë kh¸ng cao ..................................................166
4.6.2 C¸c bé khuÕch ®¹i transistor l−ìng cùc trë kh¸ng cao .....................................167
4.6.3 Bé khuÕch ®¹i hç dÉn ng−îc.............................................................................169
4.6.4 §Æc tÝnh bé thu quang cã m¹ch tÝch hîp ..........................................................170
Ch−¬ng - 5
ThiÕt kÕ hÖ thèng th«ng tin quang...................... 173
5.1. C¸c chØ dÉn thiÕt kÕ .................................................................................................173
5.1.1. HÖ thèng th«ng tin quang phô thuéc suy hao truyÒn dÉn ..........................173
5.1.2. HÖ thèng th«ng tin quang phô thuéc vμo t¸n s¾c.......................................174
5.1.3. HÖ thèng th«ng tin quang cù ly xa sö dông khuÕch ®¹i quang..................176
5.2. ThiÕt kÕ hÖ thèng......................................................................................................178
5.2.1. Quü c«ng suÊt................................................................................................178
5.2.2. Quü thêi gian lªn...........................................................................................179
5.3. MÊt m¸t c«ng suÊt trong hÖ thèng th«ng tin quang .................................................181
5.3.1 MÊt m¸t c«ng suÊt hÖ thèng do nhiÔu mode ................................................182
5.3.2 MÊt m¸t c«ng suÊt do t¸n s¾c sîi ...............................................................182
5.3.3 Chirp tÇn sè trong hÖ thèng........................................................................184
5.3.4 Ph¶n håi ph¶n x¹ vμ nhiÔu .........................................................................187
5.3.5 NhiÔu c¹nh tranh mode ..............................................................................190
5
5.3.6 NhiÔu c−êng ®é..........................................................................................192
5.4. CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin quang............................................................................194
5.4.1. KiÕn tróc hÖ thèng.......................................................................................194
5.4.2. M· ®−êng truyÒn cho hÖ thèng th«ng tin quang .........................................196
Ch−¬ng - 6 HÖ thèng th«ng tin quang Coherent ................... 200
6.1. Giíi thiÖu chung vÒ hÖ thèng th«ng tin quang coherent ...........................................201
6.1.1. Kh¸i niÖm vÒ th«ng tin quang coherent .......................................................201
6.1.2. CÊu tróc tæng qu¸t cña hÖ thèng th«ng tin quang coherent .........................202
6.2. Ho¹t ®éng cña hÖ thèng th«ng tin quang Coherent...................................................203
6.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng...................................................................................203
6.2.2. Kü thuËt t¸ch sãng quang Coherent............................................................205
6.2.3. Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu cña bé thu quang coherent ..................................206
6.3. C¸c d¹ng ®iÒu chÕ .....................................................................................................208
6.3.1. C¸c d¹ng ®iÒu chÕ .........................................................................................208
6.3.2. §iÒu chÕ d¹ng kho¸ dÞch biªn ®é ASK .........................................................209
6.3.3. §iÒu chÕ d¹ng kho¸ dÞch tÇn sè FSK ............................................................211
6.3.4. §iÒu chÕ d¹ng kho¸ dÞch pha PSK vμ kho¸ dÞch pha vi ph©n DPSK.............212
6.3.5. §iÒu chÕ ph©n cùc .........................................................................................213
6.4. C¸c ph−¬ng ph¸p gi¶i ®iÒu chÕ .................................................................................215
6.4.1. Gi¶i ®iÒu chÕ ®ång bé heterodyne.................................................................215
6.4.2. Gi¶i ®iÒu chÕ kh«ng ®ång bé heterodyne......................................................216
6.5. Tû sè lçi bit BER trong bé thu quang coherent ........................................................218
6.5.1. BER cña bé thu ASK ®ång bé.......................................................................218
6.5.2. BER cña bé thu PSK ®ång bé .......................................................................220
6.5.3. BER cña bé thu FSK ®ång bé .......................................................................221
6.5.4. BER cña bé thu ASK kh«ng ®ång bé............................................................222
6.5.5. BER cña bé thu FSK kh«ng ®ång bé ............................................................224
6.5.6. BER cña bé thu DFSK kh«ng ®ång bé..........................................................225
6.6. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ®é nh¹y thu cña hÖ thèng coherent ..................................226
6.6.1. NhiÔu pha .....................................................................................................226
6.6.2. NhiÔu c−êng ®é ............................................................................................228
6.6.3. Kh«ng t−¬ng xøng vÒ ph©n cùc ...................................................................230
6.6.4. T¸n s¾c trong sîi quang ...............................................................................233
6.6.5. C¸c yÕu tè h¹n chÕ kh¸c...............................................................................234
6.7. HiÖn tr¹ng c¸c hÖ thèng thö nghiÖm .......................................................................235
6.8. Nh÷ng −u ®iÓm cña hÖ thèng th«ng tin quang Coherent ........................................236
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
6
c¸c ch÷ viÕt t¾t
ADM
AMI
AON
APD
APS
AR
ASE
ASK
ATM
B-ISDN
BER
BGP
BH
BPF
CCITT
CCS
CNR
COT
CSO
CT
CTB
CW
DBR
DCF
DCN
DCS
DEMUX
DFB
DLC
DPSK
DPT
DR
DR
DSU
DWDM
EDF
Add/Drop Multiplexer
Alternate-Mark-Inversion
All-Optical Network
Avalanche Photodiode
Automatic Protection Switching
Antireflection Coating
Amplified Spontaneous Emission
Amplitude Shift Keying
Asynchronous Transfer Mode
Broadband Integrated Service
Digital Network
Bit Error Rate
Border Gateway Protocol
Buried Heterostructure
Bandpass Filter
International Telegraph and
Telephone Consultative Committee
Common Channel Signalling
Carrier-to-Noise Ratio
Central Office Terminal
Composite Second-order
Central Terminal
Composite Triple Beat
Continous - Wave
Distributed Bragg Reflecter
Dispersion Compensating Fiber
Digital CommunicationNetwork
Digital Cross-Connect System
Demultiplexer
Distributed Feedback
Digital Loop Carrier
Differential Phase Shift Keying
Dynamic Packet Transport
Dynamic Range
Distributed Reflector
Digital Service Unit
Dense WDM
Erbium Doped Fiber
iii
Bé ghÐp kªnh xen rÏ.
§¶o dÊu lu©n phiªn.
M¹ng toμn quang.
§i«t t¸ch sãng th¸c.
ChuyÓn m¹ch b¶o vÖ tù ®éng
Vá chèng ph¶n x¹.
Bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i.
Kho¸ dÞch biªn ®é.
M«t chuyÓn giao kh«ng ®ång bé.
M¹ng sè liªn kÕt dÞch
vô b¨ng réng.
Tû lÖ lçi bÝt.
Giao thøc cæng biªn
CÊu tróc dÞ thÓ ch«n.
Bé läc b¨ng th«ng.
Héi ®ång t− vÊn ®iÖn tho¹i
®iÖn b¸o quèc tÕ.
B¸o hiÖu kªnh chung.
Tû sè sãng mang trªn nhiÔu.
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi phÝa tæng ®μi.
Hçn hîp bËc hai.
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi trung t©m.
Ph¸ch bé ba hçn hîp.
Sãng liªn tôc.
Ph¶n x¹ ph©n bè Bragg.
Sîi bï t¸n s¾c.
M¹ng th«ng tin sè.
HÖ thèng (bé) nèi chÐo sè.
Bé gi¶i ghÐp (t¸ch) kªnh
Ph¶n håi ph©n bè.
TruyÒn t¶i m¹ch vßng sè.
Kho¸ dÞch pha vi ph©n.
TruyÒn t¶i gãi ®éng.
D¶i ®éng.
Bé ph¶n x¹ ph©n bè.
ThiÕt bÞ dÞch vô sè.
WDM mËt ®é (cao, dμy ®Æc).
Sîi pha t¹p Erbium
EDFA
ELED
ETSI
Erbium Doped Fiber Amplifier
FET
FP-LD
FPA
FRASL
FSK
FTTB
FTTC
FTTF
FTTH
FTTO
FTTR
FWM
GGL
GI
GRIN
GVD
IDLC
IF
IGL
Edge emitting LED
European Telecommunications
Standard Institute
Field Effect Transistor
Fabry-Perot Laser Diode
Fabry-Perot Amplifier
Fiber Raman Soliton Laser
Frequency Shift Keying
Fiber To The Building
Fiber To The Curb
Fiber To The Floor
Fiber To The Home
Fiber To The Office
Fiber To The Rural
Four-Wave Mixing
Gain Guided Laser
Graded Index
Graded Refractive Index
Group Velocity Dispersion
Integrated Digital Loop Carrier
Intermediate Frequency
Index Guided Laser
IM
IMD
IM-DD
Intensity Modulation
Intermodulation Distortion
Intensity Modulation-Direct Detection
IP
IPS
ISI
IS-IS
Internet Protocol
Intelligent Protection Switching
Intersymbol Interference
Intermediate System to
Intermediate System
Junction Fiel-Effect Transistor
Local Area Network
Laser Diode
Light Emitting Diode
Local Oscillator
Large Optical Cavity
JFET
LAN
LD
LED
LO
LOC
iv
KhuÕch ®¹i quang sîi cã
pha t¹p erbium.
LED ph¸t c¹nh.
ViÖn tiªu chuÈn viÔn
th«ng ch©u ¢u.
Transistor hiÖu øng tr−êng.
§i«t la-de Fabry-Perot.
Bé khuÕch ®¹i Fabry-Perot.
La-de Soliton Raman sîi.
Kho¸ dÞch tÇn sè.
Sîi quang tíi toμ nhμ.
Sîi quang tíi khu vùc d©n c−.
Sîi quang tíi tÇng nhμ.
Sîi quang tíi tËn nhμ.
Sîi quang tíi c«ng së.
Sîi quang tíi n«ng th«n.
Trén bèn sãng.
La-de ®iÒu khiÓn khuÕch ®¹i.
ChØ sè Gra®ien.
ChØ sè chiÕt suÊt Gradien.
T¸n s¾c vËn tèc nhãm.
DLC tÝch hîp.
Trung tÇn.
La-de ®iÒu khiÓn chØ sè
chiÕt suÊt.
§iÒu biÕn c−êng ®é.
MÐo ®iÒu chÕ t−¬ng hç.
§iÒu biÕn c−êng ®é-T¸ch
sãng trùc tiÕp.
Giao thøc Internet.
ChuyÓn m¹ch b¶o vÖ th«ng minh.
NhiÔu gi÷a c¸c ký tù.
HÖ thèng trung gian ®Õn
hÖ thèng trung gian
Transistor tr−êng liªn kÕt.
M¹ng néi bé (LAN).
§i«t la-de.
§i«t ph¸t quang (LED).
Dao ®éng néi.
Hèc céng h−ëng quang réng.
MAN
MC
MCVD
MESFET
MFD
MLFRL
MOSFET
MPN
MPLS
MPLS-TE
MQW
MSP
MSR
MUX
MZ
NA
NF
NLS
NMS
NNI
NOLM
NRZ
NRZ-L
OA
OADM
OCH
OC-N
OFA
OFDM
OLIU
OLS
OMS
ONI
ONNI
ONU
OOK
Metropolitan Area Network
Message Controller
Modified Chemical
Vapor Deposition
Metal Semiconductor
Field Effect Transistor
Mode Field Diameter
Mode Locked Fiber Ring Laser
Metal Oxide Silicon Field
Effect Transistor
Mode Partition Noise
Multiprotocol Label Switching
MPLS-Traffic Engineering
Multiple Quantum Well
Multiplex Section Protection
Mode Suppression Ratio
Multiplexer
Mach-Zehnder
Numerical Aperture
Noise Figure
Nonlinear Schroedinger
Network Management System
Network Node Interface
Nonlinear Optical Loop Mirror
Non Return to Zero
Non Return to Zero-Level
Optical amplifier
Optical Add/Drop Multiplexer
Optical Channel
Optical Carrier-Level N
Optical Fiber Amplifier
Optical Frequency
Division Multiplexing
Optical Line Unit
Optical Line System
Optical Multiplex Section
Optical Network Interface
Optical Network-to-Network Interface
Optical Network Unit
On/Off Keying
v
M¹ng khu vùc néi thÞ.
Bé ®iÒu khiÓn tÝn hiÖu.
Ng−ng ®äng h¬i ho¸ chÊt
biÕn ®æi.
Transistor tr−êng b¸n dÉn
kim lo¹i.
§−êng kÝnh tr−êng mode.
La-de sîi vßng chÆn mode.
Transistor tr−êng oxyt
silic kim lo¹i.
NhiÔu c¹nh tranh mode.
ChuyÓn m¹ch nh·n ®a giao thøc.
MPLS-kü thuËt l−u l−îng.
GiÕng (hè) l−îng tö.
B¶o vÖ ®o¹n ghÐp kªnh.
Tû sè nÐn mode.
Bé ghÐp kªnh.
Bé diÒu chÕ Mach-Zehnder.
KhÈu ®é sè.
HÖ sè (h×nh ¶nh) nhiÔu.
Schroedinger phi tuyÕn.
HÖ thèng qu¶n lý m¹ng.
Giao diÖn nót m¹ng.
G−¬ng vßng quang phi tuyÕn.
Kh«ng trë vÒ kh«ng.
Kh«ng trë vÒ møc kh«ng.
Bé khuÕch ®¹i quang.
Bé ghÐp kªnh xen/rÏ quang.
Kªnh quang.
TruyÒn t¶i quang møc N.
Bé khuÕch ®¹i quang sîi.
GhÐp kªnh quang theo tÇn
sè.
ThiÕt bÞ ®−êng truyÒn quang.
ThiÕt bÞ truyÒn dÉn quang.
§o¹n ghÐp kªnh quang.
Giao diÖn m¹ng quang.
Giao diÖn m¹ng-m¹ng quang.
ThiÕt bÞ m¹ng quang.
Kho¸ ®ãng-më.
OPC
OPLL
OPS
OSNR
OSPF
OSU
OTDM
Optical Phase Conjugation
Optical Phase-locked Loop
Optical Splitter
Optical Signal-to-Noise Ratio
Open Shortest Path First
Optical Switch Unit
Optical Time Division Multiplexing
OTN
OXC
PANDA
Optical Transport Network
Optical Cross Connect
Polarization-maintaining AND
Absorption-reducing
Plastic Clad Silica
Plesiochronous Digital Hierarchy
Passive Distribute Service
Polyethylene
Phase Encoded
Positive Intrinsic Negative
Phase Locked Loop
Phase Modulation
Private Network-to-Network Interface
Polarization Shift Keying
Passive Optical Network
Points of Presence
part per billion
part per million
Phase Shift Keying
Polyvinylchloride
Reach-through Avalanche Photodiode
Radio Frequency
Relative Intensity Noise
Remote Terminal
Remote Unit
Return to Zero
Stimulated Brillouin Scattering
Subcarrier Multiplexing
Synchronous Digital Hierarchy
Surface Emitting Laser
Step Index
Semiconductor Laser Amplifier
PCS
PDH
PDS
PE
PE
PIN
PLL
PM
PNNI
PoLSK
PON
POP
ppb
ppm
PSK
PVC
RAPD
RF
RIN
RT
RU
RZ
SBS
SCM
SDH
SEL
SI
SLA
vi
KÕt hîp pha quang.
M¹ch kho¸ pha quang.
Bé chia quang.
Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu quang.
Luång ®Çu tiªn ng¾n nhÊt më
Khèi chuyÓn m¹ch quang.
GhÐp kªnh quang theo
thêi gian.
M¹ng truyÒn t¶i quang.
Nèi chÐo quang
Duy tr× ph©n cùc vμ gi¶m
hÊp thô.
Sîi thuû tinh vá chÊt dÎo.
Ph©n cÊp cËn ®ång bé.
DÞch vô ph©n bè thô ®éng.
P«-ly-ª-ty-len.
M· ho¸ pha.
CÊu tróc PIN.
M¹ch kho¸ pha.
§iÒu chÕ pha.
Giao diÖn m¹ng-m¹ng riªng.
Kho¸ dÞch ph©n cùc.
M¹ng quang thô ®éng.
C¸c ®iÓm thÓ hiÖn
PhÇn tû.
PhÇn triÖu.
Kho¸ dÞch pha.
P«-ly-vy-nyl-clo-rit.
§i«t t¸ch sãng th¸c cËn xuyªn.
TÇn sè v« tuyÕn.
NhiÔu c−êng ®é t−¬ng ®èi.
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi ®Çu xa.
ThiÕt bÞ ®Çu xa.
Trë vÒ kh«ng.
T¸n x¹ Brillouin kÝch thÝch.
GhÐp kªnh sãng m¹ng phô.
Ph©n cÊp sè ®ång bé.
La-de ph¸t mÆt.
ChØ sè chiÕt suÊt ph©n bËc.
Bé khuÕch ®¹i la-de b¸n dÉn.
SLT
Subscribe Line Terminal
SMF
SMLL
SNR
SONET
SPM
SRS
STM
STS
TDM
TAL
TCP
TM
TMI
TWA
UDLC
VAD
VCI
VPI
VPN
WDM
WDMA
WGR
WR
WRC
Single Mode Fiber
Semiconductor Mode Locked Laser
Signal-Noise Ratio
Synchronous Optical Network
Self Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering
Synchronous Transport Module
Synchronous Transport Signal
Time Division Multiplexing
Thin Active Layer
Transmission Control Protocol
Terminal Multiplexer
Two-Mode Interface
Traveling Wave Amplifier
Universal Digital Loop Carrier
Vapor Phase Axial Deposition
Virtual Channel Identifier
Virtual Path Identifier
Virtual Private Network
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength Division Multiple Access
Wavelength Grating Router
Wavelength Router
Wavelength Routing Controller
WT
XPM
ZBLAN
Wavelength Terminal
Cross Phase Modulation
Zr-Ba-La-Al-Na
vii
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi ®−êng
d©y thuª bao.
Sîi dÉn quang ®¬n mode.
La-de chÆn mode b¸n dÉn.
Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu.
M¹ng quang ®ång bé.
Tù ®iÒu chÕ pha.
T¸n x¹ Raman kÝch thÝch.
M« ®un chuyÓn t¶i ®ång bé.
TÝn hiÖu chuyÓn t¶i ®ång bé.
GhÐp kªnh theo thêi gian
Líp tÝch cùc máng.
Giao thøc ®iÒu khiÓn truyÒn dÉn.
Bé ghÐp kªnh ®Çu cuèi.
Giao diÖn hai mode.
Bé khuÕch ®¹i sãng ch¹y.
DLC phæ th«ng.
Ng−ng ®äng trôc pha h¬i.
Bé nhËn d¹ng kªnh ¶o.
Bé nhËn d¹ng luång ¶o.
M¹ng riªng ¶o
GhÐp kªnh theo b−íc sãng.
§a truy nhËp theo b−íc sãng.
Bé ®Þnh tuyÕn c¸ch tö dÉn sãng.
Bé ®Þnh tuyÕn b−íc sãng.
Bé ®iÒu khiÓn ®Þnh tuyÕn
b−íc sãng.
(ThiÕt bÞ) KÕt cuèi b−íc sãng.
§iÒu chÕ ngang (chÐo) pha.
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
CH¦¥NG - 1
Giíi thiÖu
HÖ thèng th«ng tin ®−îc hiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n lμ hÖ thèng ®Ó truyÒn th«ng tin tõ n¬i
nμy ®Õn n¬i kh¸c. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c n¬i cã thÓ tõ vμi tr¨m mÐt tíi hμng tr¨m kilomÐt,
vμ thËm trÝ tíi hμng chôc ngμn kilomÐt, ch¼ng h¹n nh− lμ cù ly cÇn th«ng tin qua c¸c ®¹i
d−¬ng. Th«ng tin cã thÓ ®−îc truyÒn th«ng qua c¸c sãng ®iÖn víi c¸c d¶i tÇn sè kh¸c
nhau tõ vμi megahertz tíi hμng tr¨m terahertz. Cßn th«ng tin quang ®−îc thùc hiÖn trªn hÖ
thèng sö dông tÇn sè sãng mang cao trong vïng nh×n thÊy hoÆc gÇn hång ngo¹i cña phæ
sãng ®iÖn tõ. HÖ thèng th«ng tin quang sîi lμ hÖ thèng th«ng tin b»ng sãng ¸nh s¸ng, vμ
sö dông c¸c sîi quang ®Ó truyÒn th«ng tin. C¸c hÖ thèng nμy ®−îc ph¸t triÓn rÊt nhanh vμ
®ang ®−îc øng dông réng r·i trªn c¸c m¹ng truyÒn dÉn tõ nh÷ng n¨m 1980. Trong nh÷ng
n¨m tíi vμ t−¬ng lai, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi - hay th−êng gäi lμ c¸c hÖ thèng
th«ng tin quang - vÉn lμ c¸c hÖ thèng th«ng tin chñ ®¹o. Chóng cßn tiÒm tμng kh¶ n¨ng
rÊt lín trong viÖc hiÖn ®¹i ho¸ c¸c m¹ng l−íi viÔn th«ng trªn thÕ giíi.
1.1 kh¸I qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin quang
Nãi vÒ lÞch sö th«ng tin quang, ta kh«ng thÓ kh«ng nãi tíi viÖc sö dông th«ng tin b»ng
¸nh s¸ng cña nh©n lo¹i tr−íc ®©y vèn lμ mét trong nh÷ng h×nh thøc th«ng tin sím nhÊt.
Ngay tõ xa x−a ®Ó th«ng tin cho nhau, con ng−êi ®· biÕt sö dông ¸nh s¸ng ®Ó b¸o hiÖu.
Qua thêi gian dμi cña lÞch sö ph¸t triÓn nh©n lo¹i, c¸c h×nh thøc th«ng tin phong phó dÇn
vμ ngμy cμng ®−îc ph¸t triÓn thμnh nh÷ng hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i nh− ngμy nay, t¹o
cho mäi n¬i trªn thÕ giíi cã thÓ liªn l¹c ®−îc víi nhau mét c¸ch thuËn lîi vμ nhanh chãng.
ë tr×nh ®é ph¸t triÓn cao vÒ th«ng tin nh− hiÖn nay, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· næi
lªn vμ lμ c¸c hÖ thèng th«ng tin tiªn tiÕn bËc nhÊt, nã ®· ®−îc triÓn khai nhanh trªn m¹ng
l−íi viÔn th«ng c¸c n−íc trªn thÕ giíi víi ®ñ mäi cÊu h×nh linh ho¹t, ë c¸c tèc ®é vμ cù ly
truyÒn dÉn phong phó, b¶o ®¶m chÊt l−îng dÞch vô viÔn th«ng tèt nhÊt.
Th«ng tin quang cã tæ chøc hÖ thèng còng t−¬ng tù nh− c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c, v×
thÕ mμ thμnh phÇn c¬ b¶n nhÊt cña hÖ thèng th«ng tin quang lu«n tu©n thñ theo mét hÖ
thèng th«ng tin chung nh− h×nh 1.1. §©y lμ nguyªn lý th«ng tin mμ loμi ng−êi ®· sö dông
ngay tõ thêi kú khai sinh ra c¸c h×nh thøc th«ng tin. Trong s¬ ®å nμy, tÝn hiÖu cÇn truyÒn
®i sÏ ®−îc ph¸t vμo m«i tr−êng truyÒn dÉn t−¬ng øng, vμ ë ®Çu thu sÏ thu l¹i tÝn hiÖu cÇn
truyÒn. Nh− vËy, tÝn hiÖu ®· ®−îc th«ng tin tõ n¬i göi tÝn hiÖu ®i tíi n¬i nhËn tÝn hiÖu ®Õn.
§èi víi hÖ thèng th«ng tin quang th× m«i tr−êng truyÒn dÉn ë ®©y chÝnh lμ sîi dÉn quang,
nã thùc hiÖn truyÒn ¸nh s¸ng mang tÝn hiÖu th«ng tin tõ phÝa ph¸t tíi phÝa thu. §Ó kh¶o s¸t
mét c¸ch cã hÖ thèng vÒ th«ng tin quang, ta h·y xem xÐt mét c¸ch kh¸i qu¸t bèi c¶nh h×nh
thμnh c¸c hÖ thèng th«ng tin nãi chung, tõ ®ã sÏ thÊy ®−îc hÖ thèng th«ng tin quang ra ®êi
nh− thÕ nμo.
Vò V¨n San
7
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
N¬i tÝn hiÖu
cÇn truyÒn ®i
ThiÕt bÞ
ph¸t
M«i tr−êng
truyÒn dÉn
PhÝa ph¸t tÝn hiÖu
ThiÕt bÞ
thu
N¬i tÝn
hiÖu ®Õn
PhÝa thu tÝn hiÖu
H×nh 1.1. C¸c thμnh phÇn c¬ b¶n cña mét hÖ thèng th«ng tin.
Cho tíi nay, ®· cã rÊt nhiÒu c¸c hÖ thèng th«ng tin d−íi c¸c h×nh thøc ®a d¹ng. C¸c hÖ
thèng th«ng tin nμy ®−îc g¸n cho c¸c tªn gäi nhÊt ®Þnh theo m«i tr−êng truyÒn dÉn vμ ®«i
khi theo c¶ tÝnh chÊt dÞch vô cña hÖ thèng. Th«ng th−êng th× c¸c hÖ thèng sau ®Òu lμ sù kÕ
thõa tõ c¸c hÖ thèng tr−íc. C¸c hÖ thèng míi ®−îc c¶i tiÕn vμ hoμn thiÖn h¬n c¸c hÖ thèng
tr−íc nã, chóng th−êng cã cù ly xa h¬n, tèc ®é cao h¬n, ®é linh ho¹t vμ chÊt l−îng hÖ
thèng còng ®−îc c¶i thiÖn nh»m tháa m·n yªu cÇu cña con ng−êi. Sau thêi kú ph¸t minh
ra m¸y ®iÖn b¸o cña Samuel F.B. Morse n¨m 1838, dÞch vô ®iÖn b¸o th−¬ng m¹i ®Çu tiªn
®−îc ®−a vμo khai th¸c n¨m 1844 vμ dÇn dÇn t¨ng lªn víi sè l−îng ®¸ng kÓ. N¨m 1878,
ng−êi ta ®· tiÕn hμnh ®Æt c¸c c¸p kim lo¹i ®Ó nèi víi tæng ®μi ®iÖn tho¹i ®Çu tiªn t¹i New
Haven bang Connecticut. Giai ®o¹n sö dông c¸p kim lo¹i ®Ó truyÒn dÉn tÝn hiÖu ngù trÞ
cho tíi n¨m1887, khi mμ Heinrich Hertz ph¸t minh ra sù ph¸t x¹ sãng ®iÖn tõ cã b−íc
sãng dμi, vμ Guglielmo Marconi thùc hiÖn mμn tr×nh diÔn v« tuyÕn vμo n¨m 1895.
Nh÷ng n¨m tiÕp sau vμ trong thÕ kû 20, m¹ng l−íi ®iÖn tho¹i ®· ®−îc ph¸t triÓn réng
kh¾p trªn thÕ giíi, vμ liªn tiÕp xuÊt hiÖn nh÷ng c«ng nghÖ tiªn tiÕn trong viÖc thiÕt kÕ c¸c
hÖ thèng th«ng tin ®iÖn. Tr−íc tiªn ph¶i kÓ ®Õn sù cèng hiÕn cña c¸c lo¹i c¸p ®ång trôc ®·
lμm t¨ng dung l−îng ®¸ng kÓ. N¨m 1940, hÖ thèng c¸p ®ång trôc ®Çu tiªn ®· ®−îc ®Æt cã
b¨ng tÇn 3 MHz ®Ó truyÒn dung l−îng 300 kªnh tho¹i hoÆc mét kªnh truyÒn h×nh. C¸c hÖ
thèng sau ®ã cã b¨ng tÇn 10 MHz, nh−ng ®©y còng lμ giíi h¹n cña hÖ thèng nμy v× suy
hao c¸p bÞ phô thuéc vμo tÇn sè. Giíi h¹n nμy nhanh chãng ®−îc gi¶i to¶ do sù xuÊt hiÖn
cña c¸c hÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn.
Xu h−íng sö dông phæ sãng ®iÖn tõ ®Ó biÕn ®æi tÝn hiÖu truyÒn dÉn t¨ng lªn, ë ®©y tÝn
hiÖu mang th«ng tin th−êng ®−îc chång lªn mét sãng ®iÖn tõ kh¸c cã d¹ng h×nh sin, mμ
ng−êi ta th−êng gäi lμ sãng mang, tr−íc khi ®−a vμo ®−êng truyÒn. ë phÝa thu, tÝn hiÖu
chøa th«ng tin sÏ ®−îc t¸ch ra khái sãng mang vμ ®−îc sö lý l¹i theo yªu cÇu. L−îng
th«ng tin ®−îc ph¸t ®i cã liªn quan trùc tiÕp tíi b¨ng tÇn mμ sãng mang ho¹t ®éng, nh−
vËy t¨ng tÇn sè sãng mang tøc lμ t¨ng b¨ng tÇn truyÒn dÉn, lóc ®ã sÏ cã ®−îc dung l−îng
th«ng tin lín h¬n. XuÊt ph¸t tõ ®©y, c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn cã ®−îc c¬ héi ph¸t triÓn
vμ sau nμy lÇn l−ît ra ®êi c¸c lÜnh vùc truyÒn h×nh, ra®a, c¸c tuyÕn vi ba. HÖ thèng th«ng
tin vi ba ®Çu tiªn ho¹t ®éng víi tÇn sè sãng mang 4 GHz ®· ®−îc ®−a vμo khai th¸c n¨m
Vò V¨n San
8
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
1948, vμ sau ®ã c¸c hÖ thèng cã b¨ng tÇn cao h¬n tiÕp tôc ®−îc l¾p ®Æt trªn m¹ng l−íi.
Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng vi ba, c¸c hÖ thèng c¸p ®ång trôc còng ®−îc l¾p
®Æt ®Ó ho¹t ®éng víi tèc ®é bit ∼100 Mbit/s. N¨m 1975, hÖ thèng c¸p ®ång trôc tiªn tiÕn
nhÊt cã tèc ®é lμ 274 Mbit/s. C¸c hÖ thèng cã tèc ®é bit cao nh− vËy cã cù ly kho¶ng lÆp
rÊt ng¾n (∼1 km) vμ gi¸ thμnh rÊt ®¾t. C¸c hÖ thèng vi ba cã tèc ®é bit t−¬ng tù cã thÓ cho
cù ly xa h¬n, nh−ng còng bÞ h¹n chÕ bëi tÇn sè sãng mang. Nh×n chung, h×nh ¶nh cã ý
nghÜa khi ®Ò cËp tíi kh¶ n¨ng cña hÖ thèng th«ng tin lμ tÝch tèc ®é bit - cù ly BL (Bit rate Distance), trong ®ã B lμ tèc ®é bit vμ L lμ cù ly kho¶ng lÆp. H×nh 1.2 m« t¶ tÝch BL t¨ng
lªn theo tÝnh hiÖn ®¹i cña c«ng nghÖ th«ng tin trong mét thÕ kû r−ìi võa qua. Ta nhËn thÊy
r»ng trong mét nöa thÕ kû 20, tÝch BL t¨ng m¹nh theo cÊp thËp ph©n nÕu sö dông sãng ¸nh
s¸ng lμm sãng mang.
1015
KhuÕch ®¹i quang
TÝch BL [(bit/s)-km]
1012
Th«ng tin quang
9
10
Vi ba
106
103
C¸p ®ång trôc
§iÖn tho¹i
§iÖn b¸o
1
1850
1950
1900
2000
N¨m
H×nh 1.2 Sù t¨ng cña tÝch tèc ®é bit - cù ly.
§Ó thÊy ®−îc qu¸ tr×nh sö dông phæ sãng ®iÖn tõ cho c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn, cã thÓ
kh¶o s¸t b¶ng ph©n cÊp phæ sãng ®iÖn tõ nh− ®−îc ®−a ra ë b¶ng 1-1, trong ®ã m«i tr−êng
truyÒn dÉn ®−îc thÓ hiÖn rÊt phong phó tõ c¸c ®«i d©y kim lo¹i cho tíi èng dÉn sãng, tõ
sãng dμi cho tíi sãng vi ba, ®· cho phÐp thùc hiÖn mäi dÞch vô. Mét ®iÒu rÊt quan träng
®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng nμy mμ ta cÇn l−u ý lμ vïng tÇn sè ¸nh s¸ng. Trong vïng nμy, rÊt
dÔ dμng cã thÓ nhËn thÊy ®−îc d¶i b¨ng phï hîp d−íi d¹ng b−íc sãng, thay cho viÖc nhËn
biÕt tÇn sè nh− trong vïng sãng v« tuyÕn. Phæ cña ¸nh s¸ng tr¶i tõ 50 nm (cùc tÝm) cho tíi
kho¶ng 100 μm (hång ngo¹i), phæ ¸nh s¸ng nh×n thÊy n»m trong d¶i tõ 400 nm cho tíi
700 nm. Còng gièng phæ tÇn sè sãng v« tuyÕn, cã hai líp ph©n cÊp m«i tr−êng truyÒn dÉn
cã thÓ ®−îc dïng lμ kªnh truyÒn dÉn trong khÝ quyÓn vμ kªnh truyÒn dÉn trong èng dÉn
sãng.
Vò V¨n San
9
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
B¶ng 1-1 Ph©n cÊp theo phæ sãng ®iÖn tõ cho c¸c hÖ thèng th«ng tin
B−íc sãng
100km
¢m
thanh
10km
TÇn sè
rÊt
thÊp
(VLF)
1km
TÇn sè
thÊp
(LF)
100m
TÇn sè
trung
b×nh
(MF)
C¸p ®èi xøng
10m
TÇn sè
cao
(HF)
1m
TÇn sè
rÊt cao
(VHF)
10 cm
TÇn sè
cùc cao
(UHF)
1 cm
TÇn sè
siªu cao
(SHF)
Sãng
milÝmet
10-6 m
Hång
ngo¹i
Nh×n
thÊy
Cùc
tÝm
èng dÉn sãng
C¸p ®ång trôc
Sîi quang
Viba
Sãng dμi
Sãng ng¾n
2,55μm 800μm
1kHz
10kHz 100kHz
MHz
10MHz
100MHz 1GHz
10GHz
100GHz
1014Hz
1015Hz
TÇn sè
Vμo n¨m 1960, viÖc ph¸t minh ra Laser ®Ó lμm nguån ph¸t quang ®· më ra mét thêi kú
míi cã ý nghÜa rÊt to lín trong lÞch sö cña kü thuËt th«ng tin sö dông d¶i tÇn sè ¸nh s¸ng.
Sù kiÖn nμy g©y ra mét sù cuèn hót ®Æc biÖt c¸c nhμ nghiªn cøu hμng ®Çu vÒ th«ng tin trªn
thÕ giíi, vμ t¹o ra c¸c ý t−ëng tËp trung t×m tßi gi¶i ph¸p sö dông ¸nh s¸ng laser cho th«ng
tin quang. §ã lμ ®iÓm xuÊt ph¸t cña sù ra ®êi c¸c hÖ thèng th«ng tin quang.
1.2 qu¸ tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang
Nh− ë trªn ®· nh¾c ®Õn ë trªn r»ng c¸c hÖ thèng th«ng tin quang chØ kh¸c vÒ nguyªn lý
so víi c¸c hÖ thèng vi ba ë d¶i tÇn sè sãng mang dïng ®Ó mang th«ng tin. Theo lý thuyÕt
th× hÖ thèng th«ng tin quang cã thÓ cho phÐp con ng−êi thùc hiÖn th«ng tin víi l−îng kªnh
rÊt lín vù¬t gÊp nhiÒu lÇn c¸c hÖ thèng vi ba hiÖn cã. Hμng lo¹t c¸c thùc nghiÖm vÒ th«ng
tin trªn bÇu khÝ quyÓn ®−îc tiÕn hμnh ngay sau ®ã. Mét sè kÕt qu¶ ban ®Çu ®· thu ®−îc
nh−ng tiÕc r»ng chi phÝ cho c¸c c«ng viÖc nμy qu¸ tèn kÐm, kinh phÝ tËp trung cho viÖc
s¶n xuÊt c¸c thμnh phÇn thiÕt bÞ ®Ó v−ît qua ®−îc c¸c c¶n trë do ®iÒu kiÖn thêi tiÕt (m−a,
Vò V¨n San
10
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
s−¬ng mï, tuyÕt, bôi, vv...) g©y ra lμ con sè khæng lå. ChÝnh v× vËy, ch−a thu hót ®−îc sù
chó ý cña m¹ng l−íi.
Mét h−íng nghiªn cøu kh¸c cïng thêi gian nμy ®· t¹o ®−îc hÖ thèng truyÒn tin ®¸ng tin
cËy h¬n h−íng th«ng tin qua khÝ quyÓn ë trªn lμ sù ph¸t minh ra sîi dÉn quang. C¸c sîi
dÉn quang lÇn ®Çu tiªn ®−îc chÕ t¹o mÆc dï cã suy hao rÊt lín (tíi kho¶ng 1000 dB/km),
®· t¹o ra ®−îc mét m« h×nh hÖ thèng cã xu h−íng linh ho¹t h¬n. TiÕp sau ®ã, n¨m 1966
Kao, Hockman vμ Werts ®· nhËn thÊy r»ng suy hao cña sîi dÉn quang chñ yÕu lμ do t¹p
chÊt cã trong vËt liÖu chÕ t¹o sîi g©y ra. Hä nhËn ®Þnh r»ng cã thÓ lμm gi¶m ®−îc suy hao
cña sîi vμ ch¾c ch¾n sÏ tån t¹i mét ®iÓm nμo ®ã trong d¶i b−íc sãng truyÒn dÉn quang cã
suy hao nhá. Nh÷ng nhËn ®Þnh nμy ®· ®−îc s¸ng tá khi Kapron, Keck vμ Maurer chÕ t¹o
thμnh c«ng sîi thñy tinh cã suy hao 20 dB/km t¹i Corning Glass vμo n¨m 1970. Suy hao
nμy nhá h¬n nhiÒu so víi thêi ®iÓm ®Çu chÕ t¹o sîi vμ cho phÐp t¹o ra cù ly truyÒn dÉn
t−¬ng ®−¬ng víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn b»ng c¸p ®ång. Víi sù cè g¾ng kh«ng ngõng cña
c¸c nhμ nghiªn cøu, c¸c sîi dÉn quang cã suy hao nhá h¬n lÇn l−ît ra ®êi. Cho tíi ®Çu
nh÷ng n¨m 1980, c¸c hÖ thèng th«ng tin trªn sîi dÉn quang ®· ®−îc phæ biÕn kh¸ réng víi
vïng b−íc sãng lμm viÖc 1300nm. Cho tíi nay, sîi dÉn quang ®· ®¹t tíi møc suy hao rÊt
nhá, gi¸ trÞ suy hao d−íi 0,154dB/km t¹i b−íc sãng 1550nm ®· cho thÊy sù ph¸t triÓn
m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ sîi quang trong gÇn ba thËp niªn qua. Gi¸ trÞ suy hao nμy ®· gÇn
®¹t tíi tÝnh to¸n lý thuyÕt cho c¸c sîi ®¬n mèt lμ 0,14dB/km. Cïng víi c«ng nghÖ chÕ t¹o
c¸c nguån ph¸t vμ thu quang, sîi dÉn quang ®· t¹o ra c¸c hÖ thèng th«ng tin quang víi
nhiÒu −u ®iÓm tréi h¬n h¼n so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin c¸p kim lo¹i lμ:
- Suy hao truyÒn dÉn rÊt nhá
- B¨ng tÇn truyÒn dÉn rÊt lín
- Kh«ng bÞ ¶nh h−ëng cña nhiÔu ®iÖn tõ
- Cã tÝnh b¶o mËt tÝn hiÖu th«ng tin cao
- Cã kÝch th−íc vμ träng l−îng nhá
- Sîi cã tÝnh c¸ch ®iÖn tèt
- Tin cËy vμ linh ho¹t
- Sîi ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu rÊt s½n cã.
Do cã c¸c −u ®iÓm trªn mμ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang nhanh chãng ®−îc ¸p dông
réng r·i trªn m¹ng lø¬i. Chóng cã thÓ ®−îc x©y dùng lμm c¸c tuyÕn ®−êng trôc, trung kÕ,
liªn tØnh, thuª bao kÐo dμi cho tíi c¶ viÖc truy nhËp vμo m¹ng thuª bao linh ho¹t vμ ®¸p
øng ®−îc mäi m«i tr−êng l¾p ®Æt tõ trong nhμ, trong c¸c cÊu h×nh thiÕt bÞ cho tíi xuyªn
lôc ®Þa, v−ît ®¹i d−¬ng vv.... C¸c hÖ thèng th«ng tin quang còng rÊt phï hîp cho c¸c hÖ
thèng truyÒn dÉn sè kh«ng lo¹i trõ tÝn hiÖu d−íi d¹ng ghÐp kªnh nμo, c¸c tiªu chuÈn B¾c
Mü, Ch©u ¢u hay NhËt B¶n, nh− ë b¶ng 1-2.
Ngoμi c¸c tèc ®é trªn, cã mét tiªu chuÈn míi ph¸t triÓn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y gäi lμ
SONET (Synchronous Optical Network), tèc ®é truyÒn dÉn ë ®©y cã h¬i kh¸c chót Ýt, nã
x¸c ®Þnh cÊu tróc khung ®ång bé ®Ó göi mét l−u l−îng ghÐp kªnh sè trªn sîi quang. Khèi
cÊu tróc c¬ b¶n vμ møc ®Çu tiªn cña ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET gäi lμ “tÝn hiÖu truyÒn t¶i
Vò V¨n San
11
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
®ång bé - cÊp 1” STS-1 (Synchronous Transport Signal -Level 1) vμ cã tèc ®é bÝt 51,84
Mbit/s. C¸c tÝn hiÖu SONET cÊp cao h¬n lμ tÝn hiÖu OC-N (Optical Carrier -Level N). TÝn
hiÖu OC-N sÏ cã tèc ®é ®−êng truyÒn gÊp N lÇn tÝn hiÖu OC-1. B¶ng 1-3 lμ c¸c møc OC-N
cña SONET.
B¶ng 1-2 Tèc ®é truyÒn dÉn tiªu chuÈn ë B¾c Mü, ch©u ¢u vμ NhËt b¶n
Ph©n
cÊp
1
2
3
4
5
Khèi B¾c Mü
Khèi ch©u ¢u
NhËt b¶n
Tèc ®é bÝt
Mbit/s
Sè kªnh
tho¹i
Tèc ®é bÝt
Mbit/s
Sè kªnh
tho¹i
Tèc ®é bÝt
Mbit/s
Sè kªnh
tho¹i
1,544
6,312
44,736
274,176
-
24
96
672
4032
-
2,048
8,448
34,368
139,264
565,148
30
120
480
1920
7680
1,544
6,312
32,064
97,728
396,200
24
96
480
1440
5760
B¶ng 1-3 C¸c møc ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET
Møc
OC-1
OC-3
OC-9
OC-12
OC-18
OC-24
OC-36
OC-48
Tèc ®é
truyÒn
(Mbit/s)
51,84
155,52
466,56
622,08
933,12
1244,16
1866,24
2488,32
HiÖn nay c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· ®−îc øng dông réng r·i trªn thÕ giíi, chóng
®¸p øng c¶ c¸c tÝn hiÖu t−¬ng tù (analog) vμ sè (digital), chóng cho phÐp truyÒn dÉn tÊt c¶
c¸c tÝn hiÖu dÞch vô b¨ng hÑp vμ b¨ng réng, ®¸p øng ®Çy ®ñ mäi yªu cÇu cña m¹ng sè hãa
liªn kÕt ®a dÞch vô (ISDN). Sè l−îng c¸p quang hiÖn nay ®−îc l¾p ®Æt trªn thÕ giíi víi sè
l−îng rÊt lín, ë ®ñ mäi tèc ®é truyÒn dÉn víi c¸c cù ly kh¸c nhau, c¸c cÊu tróc m¹ng ®a
d¹ng. NhiÒu n−íc lÊy c¸p quang lμ m«i tr−êng truyÒn dÉn chÝnh trong m¹ng l−íi viÔn
th«ng cña hä. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang sÏ lμ mòi ®ét ph¸ vÒ tèc ®é, cù ly truyÒn dÉn
vμ cÊu h×nh linh ho¹t cho c¸c dÞch vô viÔn th«ng cÊp cao.
Thùc tÕ, th«ng tin quang ®ang ë vμo giai ®o¹n kÕt thóc thÕ hÖ thø t− vμ b¾t ®Çu thÕ hÖ
thø n¨m víi viÖc gi¶i quyÕt t¸n s¾c cña sîi quang cïng víi øng dông khuÕch ®¹i quang
trªn diÖn réng. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· ®−îc triÓn khai thö nghiÖm thμnh c«ng
víi nh÷ng ®Æc tÝnh rÊt hÊp dÉn nh− tèc ®é 1,2 Tbit/s, hay truyÒn dÉn soliton cù ly 9400 km
t¹i tèc ®é 70 Gbit/s nhê ghÐp 7 kªnh 10Gbit/s, vv... Râ rμng lμ th«ng tin quang lu«n mang
l¹i nhiÒu bÊt ngê trong sù ph¸t triÓn c«ng nghÖ cña chóng. §iÒu ®ã muèn nãi r»ng chóng
ta cÇn ph¶i th−êng xuyªn bæ tóc nhiÒu kiÕn thøc vÒ th«ng tin quang.
Vò V¨n San
12
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
1.3. c¸c thμnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng th«ng tin quang
Cho ®Õn nay, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang kh«ng cßn ®−îc gäi lμ c¸c hÖ thèng th«ng
tin míi n÷a, nã ®· tr¶i qua nhiÒu n¨m khai th¸c trªn m¹ng l−íi víi c¸c cÊu tróc kh¸c nhau.
Nh×n chung, c¸c hÖ thèng th«ng tin quang th−êng phï hîp h¬n cho viÖc truyÒn dÉn tÝn
hiÖu sè vμ hÇu hÕt c¸c qóa tr×nh ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin quang ®Òu ®i theo h−íng
nμy. Theo quan niÖm thèng nhÊt nh− vËy, ta cã thÓ xem xÐt cÊu tróc cña tuyÕn th«ng tin
quang bao gåm c¸c thμnh phÇn chÝnh nh− h×nh 1.3 d−íi ®©y.
TÝn
hiÖu
®iÖn
vμo
ThiÕt bÞ ph¸t quang
Nguån ph¸t
quang
Tr¹m lÆp
Xen rÏ kªnh
Bé chia quang
Thu
quang
Mèi hμn sîi
M¹ch ®iÖn
Sîi quang
M¹ch ®iÒu
khiÓn
Bé nèi
quang
C¸c thiÕt bÞ kh¸c
Ph¸t
quang
ThiÕt bÞ thu quang
Bï t¸n s¾c
KhuÕch ®¹i
quang
T¸ch sãng
quang
KhuÕch
ChuyÓn ®æi
tÝn hiÖu
TÝn hiÖu
®iÖn ra
KhuÕch ®¹i ®iÖn
H×nh 1.3. C¸c thμnh phÇn chÝnh cña tuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang
C¸c thμnh phÇn chÝnh cña tuyÕn gåm cã thiÕt bÞ ph¸t quang - cßn gäi lμ bé ph¸t quang,
c¸p sîi quang vμ thiÕt bÞ thu quang - hay bé thu quang. ThiÕt bÞ ph¸t quang ®−îc cÊu t¹o
tõ nguån ph¸t tÝn hiÖu quang vμ c¸c m¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn liªn kÕt víi nhau. C¸p sîi quang
gåm cã c¸c sîi dÉn quang vμ c¸c líp vá bäc xung quanh ®Ó b¶o vÖ khái t¸c ®éng cã h¹i tõ
m«i tr−êng bªn ngoμi. ThiÕt bÞ thu quang ®−îc cÊu t¹o tõ bé t¸ch sãng quang vμ c¸c m¹ch
khuÕch ®¹i, t¸i t¹o tÝn hiÖu hîp thμnh. Ngoμi c¸c thμnh phÇn chñ yÕu nμy, tuyÕn th«ng tin
quang cßn cã c¸c bé ghÐp nèi quang - connector, c¸c mèi hμn, c¸c bé chia quang vμ c¸c
tr¹m lÆp; ë c¸c tuyÕn th«ng tin quang hiÖn ®¹i cßn cã thÓ cã c¸c bé khuÕch ®¹i quang,
thiÕt bÞ bï t¸n s¾c, vμ c¸c tr¹m xen rÏ kªnh, tÊt c¶ t¹o nªn mét tuyÕn th«ng tin quang hoμn
chØnh. C¸c thμnh phÇn chÝnh ë trªn sÏ ®−îc lÇn l−ît xÐt tíi ë c¸c ch−¬ng sau trong cuèn
Vò V¨n San
13
HÖ thèng th«ng tin quang - ch−¬ng 1
s¸ch nμy. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®−îc nh÷ng kh¸i niÖm ban ®Çu vÒ c¸c thμnh phÇn cña hÖ
thèng, xin ®−îc s¬ l−îc tãm t¾t nh− sau.
T−¬ng tù nh− c¸p ®ång, c¸p sîi quang ®−îc khai th¸c víi nhiÒu ®iÒu kiÖn l¾p ®Æt kh¸c
nhau. Chóng cã thÓ ®−îc treo ngoμi trêi, ch«n trùc tiÕp d−íi ®Êt, kÐo trong cèng, ®Æt d−íi
biÓn. Tïy thuéc vμo c¸c ®iÒu kiÖn l¾p ®Æt kh¸c nhau mμ ®é dμi chÕ t¹o cña c¸p còng kh¸c
nhau, cã thÓ dμi tõ vμi tr¨m mÐt tíi vμi kilomet. Tuy nhiªn ®«i khi thi c«ng, c¸c kÝch cì
cña c¸p còng phô thuéc vμo tõng ®iÒu kiÖn cô thÓ, ch¼ng h¹n nh− c¸p ®−îc kÐo trong cèng
sÏ kh«ng thÓ cho phÐp dμi ®−îc, c¸p cã ®é dμi kh¸ lín th−êng ®−îc dïng cho treo hoÆc
ch«n trùc tiÕp. C¸c mèi hμn sÏ kÕt nèi c¸c ®é dμi c¸p thμnh ®é dμi tæng céng cña tuyÕn
®−îc l¾p ®Æt.
Tham sè quan träng nhÊt cña c¸p sîi quang tham gia quyÕt ®Þnh ®é dμi cña tuyÕn th«ng
tin lμ suy hao sîi quang theo b−íc sãng. §Æc tuyÕn suy hao cña sîi quang theo b−íc sãng
tån t¹i ba vïng mμ t¹i ®ã cã suy hao thÊp lμ c¸c vïng b−íc sãng 850 nm, 1300 nm vμ
1550 nm. Ba vïng b−íc sãng nμy ®−îc sö dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang vμ ®−îc
gäi t−¬ng øng lμ c¸c vïng cöa sæ thø nhÊt, thø hai vμ thø ba. Thêi kú ®Çu cña kü thuËt
th«ng tin quang, cöa sæ thø nhÊt ®−îc sö dông. Nh−ng sau nμy do c«ng nghÖ chÕ t¹o sîi
ph¸t triÓn m¹nh, suy hao sîi ë hai cöa sæ sau rÊt nhá cho nªn c¸c hÖ thèng th«ng tin ngμy
nay chñ yÕu ho¹t ®éng ë cöa sæ thø hai vμ thø ba. C¸c h−íng nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ sîi
quang cßn cho biÕt r»ng, suy hao sîi quang ë c¸c vïng b−íc sãng dμi h¬n cßn nhá h¬n
n÷a. Gi¸ trÞ suy hao sîi nhá nhÊt cã thÓ thu ®−îc l¹i ë vïng b−íc sãng 2,55 μm trªn sîi
Fluoride. Sîi dÉn quang cã suy hao nhá nμy ®−îc chÕ t¹o tõ thñy tinh fluoride cã hμm
l−îng kim lo¹i nÆng trong ®ã ZrF4 lμ thμnh phÇn chñ yÕu. Gi¸ trÞ suy hao tèi thiÓu ë sîi
®Æc biÖt nμy ®¹t tíi 0,01 ®Õn 0,001 dB/km.
Nguån ph¸t quang ë thiÕt bÞ ph¸t cã thÓ sö dông ®i«t ph¸t quang (LED) hoÆc Laser b¸n
dÉn (LD). C¶ hai lo¹i nguån ph¸t nμy ®Òu phï hîp cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang, cã
tÝn hiÖu quang ®Çu ra t−¬ng øng víi sù thay ®æi cña dßng ®iÒu biÕn. TÝn hiÖu ®iÖn ë ®Çu
vμo thiÕt bÞ ph¸t ë d¹ng sè hoÆc ®«i khi cã d¹ng t−¬ng tù. ThiÕt bÞ ph¸t sÏ thùc hiÖn biÕn
®æi tÝn hiÖu ®iÖn nμy thμnh tÝn hiÖu quang t−¬ng øng vμ c«ng suÊt quang ®Çu ra sÏ phô
thuéc vμo sù thay ®æi cña c−êng ®é dßng ®iÒu biÕn. C«ng suÊt ph¸t quang lμ mét tham sè
thiÕt kÕ quan träng v× nã gãp phÇn x¸c ®Þnh ®−îc suy hao sîi quang hoÆc quü c«ng suÊt
trªn tuyÕn ®−îc phÐp lμ bao nhiªu. Nã ®−îc diÔn gi¶i b»ng ®¬n vÞ dBm víi møc 1 mW lμm
møc tham kh¶o. BiÓu thøc x¸c ®Þnh chung lμ:
⎛ P ⎞
Pt (dBm) = 10 log 10 ⎜ t ⎟
⎝ 1mW ⎠
(1-1)
B−íc sãng lμm viÖc cña nguån ph¸t quang c¬ b¶n phô thuéc vμo vËt liÖu cÊu t¹o. §u«i
sîi ra (pigtail) cña nguån ph¸t quang ph¶i phï hîp víi sîi dÉn quang ®−îc khai th¸c trªn
tuyÕn.
TÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®· ®−îc ®iÒu chÕ t¹i nguån ph¸t quang sÏ lan truyÒn däc theo sîi dÉn
quang ®Ó tíi thiÕt bÞ thu quang. Khi truyÒn trªn sîi dÉn quang, tÝn hiÖu ¸nh s¸ng th−êng bÞ
Vò V¨n San
14
- Xem thêm -