Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Trêng §¹i häc Vinh
Khoa vËt lý
-----------
-----------
ph¹m ®×nh diÖn
HÖ thèng th«ng tin quang soliton
Kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc
Chuyªn ngµnh ®iÖn tö viÔn th«ng
§oµn Hoµi S¬n
Sinh viªn thùc hiÖn: Ph¹m §×nh
DiÖn
C¸n bé híng dÉn: ThS.
Líp:
43B - vËt lÝ
Vinh - 2006
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
0
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Môc lôc
Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang
1.1. Kh¸i qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin
quang…………………...1
1.2. Qóa tr×nh ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin quang
………………..4
1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng th«ng tin
quang …………7
1.4. HiÖu øng soliton ……………………………………………. 10
1.4.1.
C¬
së
cña
soliton
thêi
gian
………………………… 10
1.4.2.
C
¬
së
soliton
kh«ng
gian
…………………………..15
Ch¬ng 2. Soliton sîi - HÖ thèng th«ng tin soliton
2.1. Soliton sîi ...................................................15
2.1.1 Ph¬ng tr×nh schrodinger phi
tuyÕn…………………15
2.1.2. C¸c soliton c¬ b¶n vµ soliton bËc
cao………………17
2.1.3. C¸c soliton tèi………………………………………
23
2.2. HÖ thèng th«ng tin soliton ...........................23
2.2.1. TruyÒn dÉn th«ng tin b»ng soliton …………
…….. .23
2.2.2. T¬ng t¸c soliton……………………………………25
2.2.3. Chirp tÇn sè ………………………………… ……. .
28
2.2.4.
C¸c
bé
ph¸t
soliton
……………………………… ..29
2.2.5.
Gi·n
xung
soliton
do
suy
hao……………………….32
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
1
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
2.2.6. KhuÕch ®¹i soliton..…………………………………
33
Ch¬ng 3. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao
3.1. ThiÕt kÕ hÖ thèng soliton ............................36
3.1.1. ChÕ ®é soliton trung b×nh …………………
………..36
3.1.2. NhiÔu khuÕch ®¹i
…………………………………...38
3.1.3. Jitter thêi gian
…………………………………… ...43
3.1.4. Mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm
………………………..44
3.2. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao
………………………..46
3.2.1. ChÕ ®é ®o¹n nhiÖt …………………………………
.46
3.2.2. GhÐp kªnh ph©n cùc ……………………………...
..48
3.2.3.
KhuÕch
®¹i
ph©n
bæ
……………………………… ..50
kÕt luËn ...........................................................52
tµi liÖu tham kh¶o .............................................53
Lêi nãi ®Çu
Tõ thuë xa xa con ngêi ®· biÕt b¸o hiÖu c¸c th«ng tin cho
nhau b»ng ¸nh s¸ng. Qua thêi gian dµi cña sö ph¸t triÓn nh©n
lo¹i, c¸c h×nh thøc th«ng tin ®· ®îc phong phó dÇn lªn vµ
ngµy cµng ®îc ph¸t triÓn thµnh hÖ thèng th«ng tin hiÖn ®¹i
nh ngµy nay, t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho kh¾p n¬i trªn thÕ giíi
cã thÓ liªn l¹c ®îc víi nhau mét c¸ch dÔ dµng vµ nhanh chãng.
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
2
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
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 líi viÔn th«ng cña c¸c quèc gia trªn thÕ giíi víi ®ñ mäi
h×nh thøc linh ho¹t, tèc ®é vµ cù li truyÒn dÉn phong phó
b¶o ®¶m chÊt lîng dÞch vô viÔn th«ng tèt nhÊt.
Tõ nh÷ng n¨m 80 cña thÕ kØ XX. HÖ thèng th«ng tin
quang ®· ®îc øng dông réng r·i trªn c¸c m¹ng truyÒn dÉn.
Trong nh÷ng n¨m tíi vµ t¬ng lai 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 líi viÔn
th«ng trªn thÕ giíi.
Chóng t«i nhËn thøc ®îc vai trß vµ tÇm quan träng cña hÖ
thèng th«ng tin quang nh ®· nãi ë trªn. Chóng t«i chän híng
nghiªn cøu “HÖ thèng th«ng tin quang soliton” víi c¸c néi dung
chÝnh sau:
Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang
Giíi thiÖu tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang vµ
hiÖu øng soliton.
Ch¬ng 2. Soliton sîi - HÖ thèng th«ng tin solioton
Tr×nh bµy mét sè vÊn ®Ò vÒ soliton sîi vµ hÖ thèng
th«ng tin soliton.
Ch¬ng 3. C¸c hÖ thèng soliton dung lîng cao
Giíi thiÖu kh¸i qu¸t vÒ soliton dung lîng cao.
Tuy nhiªn, víi tr×nh ®é cßn nhiÒu h¹n chÕ cña mét sinh
viªn nªn ®Ò tµi nghiªn cøu nµy cña t«i sÏ kh«ng tr¸nh khái
nh÷ng h¹n chÕ, sai sãt. Bëi vËy, t«i rÊt mong ®îc sù gióp ®ì
vµ ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c thÇy, c« gi¸o cïng toµn thÓ c¸c
b¹n sinh viªn ®Ó ®Ó ®Ò tµi ®îc hoµn chØnh h¬n.
Nh©n ®©y, t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy gi¸o, c«
gi¸o cïng c¸c b¹n sinh viªn ®· quan t©m gióp ®ì, ®ãng gãp ý
kiÕn quý b¸u trong qu¸ tr×nh hoµn thµnh luËn v¨n nµy .
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
3
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
CH¦¥NG 1
Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang
HÖ thèng th«ng tin ®îc hiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ hÖ
thèng 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 km, thËm chÝ
hµng chôc ngµn km, th«ng tin cã thÓ ®îc truyÒn qua c¸c sãng
®iÖn víi c¸c gi¶i lÇn kh¸c nhau tõ vµi chôc mª-ga-mÐt víi hµng
tr¨m tª-ra-hÐc. Cßn th«ng tin quang ®îc thùc hiÖn trªn hÖ
thèng sö dông tÇn sè sãng mang cao trong vïng nh×n thÊy
hoÆc hång ngo¹i cña phæ sãng ®Þªn tõ. HÖ thèng th«ng tin
quang sîi lµ hÖ thèng th«ng tin b»ng sãng ¸nh s¸ng vµ sö dông
tèt 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 n¨m 1980. Trong nh÷ng n¨m tíi vµ t¬ng
lai c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sîi 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 líi viÔn th«ng trªn thÕ giíi.
1.1. Kh¸i qu¸t vÒ lÞch sö ra ®êi th«ng tin
quang
Ngay tõ xa xa ®Ó th«ng tin cho nhau con ngêi ®· 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 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
víi nhau vµ 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
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
4
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
®· næi lªn lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin tiªn tiÕn bËc nhÊt, nã ®·
®îc triÓn khai nhanh trªn m¹ng líi viÔn th«ng c¸c níc trªn thÕ
giíi cã ®ñ mäi cÊu h×nh linh ho¹t, ë c¸c tèc ®é vµ cù ly truyÒn
dÉn phong phó b¶o ®¶m chÊt lîng dÞch vô viÔn th«ng tèt nhÊt.
Th«ng tin quang ®îc tæ chøc hÖ thèng 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 lu«n tu©n theo mét hÖ thèng th«ng tin
chung.
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
5
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
N¬i tÝn hiÖu
ThiÕt bÞ
ThiÕt bÞ
N¬i tÝn
cÇn truyÒn ®i
thu
M«i trêng
ph¸t
truyÒn dÉn
hiÖu ®Õn
§©y lµ nguyªn lÝ th«ng tin mµ loµi ngêi ®· sö dông ngay
tõ thêi k× khai sinh ra c¸c h×nh thøc th«ng tin. Trong s¬ ®å
nµy tÝn hiÖu truyÒn ®i sÏ ®îc ph¸t vµo m«i trêng t¬ng øng vµ
ë tÝn hiÖu cÇn truyÒn th«ng tin, nh vËy tÝn hiÖu ®· ®îc th«ng
tin tõ n¬i gi÷ tÝn hiÖu ®i tíi n¬i nhËn tÝn hiÖu ®Õn.
§èi víi hÖ thèng th«ng tin quang th× m«i trêng 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
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 ra
®êi nh thÕ nµo.
Cho tíi nay, ®· cã rÊt nhiÒu c¸c hÖ thèng th«ng tin díi 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 trêng truyÒn dÉn vµ ®«i khi
theo c¶ tÝnh chÊt dÞch vô cña hÖ thèng th«ng thêng th× c¸c
hÖ thèng sau ®Òu lµ sù kÕ thõa tõ c¸c hÖ thèng tríc. C¸c hÖ
thèng míi ®îc c¶i tiÕn vµ hoµn thiÖn h¬n c¸c hÖ thèng tríc nã.
Sau thêi k× ph¸t minh ra m¸y ®iÖn b¸o cña Samuel
F.B.Morse n¨m 1838,
dÞch vô ®iÖn b¸o ®Çu tiªn ®îc ®a
vµo vµ khai th¸c n¨m 1844 vµ dÇn dÇn t¨ng lªn víi sè lîng
®¸ng kÓ. N¨m 1878 ngêi ta ®· tiÕn hµnh ®Æt c¸c c¸p ®ång
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
6
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
®Ó nèi víi tæng ®µi ®iÖn tho¹i t¹i New Henen bang
Connecticut. N¨m 1895 GuglielmoMarconi øng dông bøc x¹
®iÖn tõ bíc sãng dµi do HeinrichHertz ph¸t hiÖn vµo n¨m
1887 ®Ó truyÒn tÝn hiÖu v« tuyÕn.
Nh÷ng n¨m sau ®ã vµ trong thÕ kû 20, m¹ng líi ®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. Xu híng sö dông phæ sãng ®iÖn tõ
®Ó biÕn ®æi tÝn hiÖu truyÒn dÉn t¨ng lªn, ë ®©y tÝn hiÖu
mang th«ng tin thêng ®îc chång lªn mét sãng ®iÖn tõ kh¸c cã
d¹ng h×nh sin mµ ngêi ta thêng gäi lµ sãng mang tríc khi ®a
vµo ®êng truyÒn. ë phÝa thu tÝn hiÖu chøa th«ng tin sÏ ®îc
t¸ch ra khái sãng mang vµ ®îc xö lÝ l¹i theo yªu cÇu. Lîng
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 lîng 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 lît ra ®êi c¸c lÜnh vùc
truyÒn h×nh, rada, c¸c tuyÕn viba. HÖ thèng viba ®Çu tiªn
ho¹t ®éng víi tÇn sè sãng mang 4GHz ®· ®îc khai th¸c n¨m
1948, sau ®ã c¸c hÖ thèng cã b¨ng tÇn cao h¬n tiÕp tôc ®îc
l¾p ®Æt trªn m¹ng líi. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng
viba, c¸c hÖ thèng c¸p ®ång trôc còng ®îc l¾p ®Æt ®Ó ho¹t
®éng víi tèc ®é bÝt ~ 100Mbit/s. N¨m 1975 hÖ thèng c¸p
®ång trôc tiªn tiÕn nhÊt cã tèc ®é lµ 274Mbit/s.
C¸c hÖ thèng cã tèc ®é bÝt cao nh vËy cã cù ly kho¶ng
lÆp rÊt ng¾n (~1km) vµ gi¸ thµnh rÊt ®¾t. C¸c hÖ thèng
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
7
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
viba cã tèc ®é bÝt t¬ng tù cã thÓ cho cù ly xa h¬n, nhng 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 bÝt – cù ly BL. Trong ®ã B lµ tèc ®é bÝt 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 rìi qua.
H×nh1.2 : Sù t¨ng cña cña tÝch tèc ®é bit - cù ly
Ta nhËn thÊy r»ng trong nöa cuèi thÕ kû 20. TÝch BL t¨ng
m¹nh theo cÊp thËp ph©n nÕu sö dông sãng ¸nh s¸ng lµm
sãng mang.
Vµo n¨m 1960, viÖc ph¸t minh ra laser ®Ó lµm nguån
ph¸t quang ®· më ra mét thêi k× míi cã 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 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 tëng tËp
trung t×m tßi gi¶i ph¸p sö dông ¸nh s¸ng laser cho th«ng tin
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
8
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
quang. §ã lµ sù 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
Theo lÝ thuyÕt th× hÖ thèng th«ng tin quang cã thÓ cho
phÐp con ngêi thùc hiÖn th«ng tin víi lîng kªnh rÊt lín vît gÊp
nhiÒu lÇn c¸c hÖ thèng viba hiÖn cã. Hµng lo¹t thùc nghiÖm vÒ
th«ng tin trªn bÇu khÝ quyÓn ®îc thùc hiÖn ngay sau ®ã, mét
sè kÕt qu¶ ban ®Çu ®· thùc hiÖn ®îc nhng tiÕc r»ng chi phÝ
cho viÖc nµy qu¸ kÐm, kinh phÝ tËp trung cho viÖc s¶n xuÊt
c¸c thµnh phÇn thiÕt bÞ ®Ó vît qua ®îc c¸c c¶n trë cho ®iÒu
kiÖn thêi tiÕt (ma, s¬ng mï, bôi …) g©y ra lµ con sè khæng lå,
chÝnh v× vËy cha thu hót ®îc sù chó ý cña m¹ng líi.
Mét híng nghiªn cøu kh¸c cïng thêi gian nµy ®· t¹o ®îc hÖ
thèng truyÒn tin ®¸ng tin cËy h¬n lµ sù ph¸t minh ra sîi dÉn
quang. C¸c sîi dÉn quang lÇn ®Çu tiªn ®îc chÕ t¹o mÆc dï cßn
sai hao rÊt lín (kho¶ng 1000dB/km) ®· t¹o ra ®îc mét m«
h×nh hÖ thèng cã xu híng linh ho¹t h¬n. Vµo 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 cña sîi
g©y ra vµ cho r»ng cã thÓ lµm gi¶m ®îc ®êng truyÒn dÉn kh¶
thi. §iÒu nµy ®· ®îc thùc hiÖn vµo n¨m 1970 khi Kapron, Keck
vµ Mewrel chÕ t¹o mét sîi silica cã suy hao lµ 20dB/km t¹i
Corning Glass. Suy hao nµy nhá h¬n so víi thêi ®iÓm ®Çu chÕ
t¹o sîi vµ cho phÐp t¹o 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
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
9
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
lÇn lît ra ®êi. 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 bíc sãng
lµm viÖc 130nm. Cho ®Õn nay sîi dÉn quang ®· ®¹t tíi møc
sai hao rÊt nhá, gi¸ trÞ suy hao díi 0,154 dB/km t¹i bíc sãng
1550nm ®· cho thÊy sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ sîi
quang trong gÇn ba thËp kØ võa qua. Gi¸ trÞ suy hao nµy ®·
gÇn ®¹t tíi tÝnh to¸n lÝ thuyÕt cho c¸c sîi ®¬n mode lµ
0,14dB/km.
Cïng víi c«ng nghÖ chÕ t¹o ph¸t vµ thu quang, sîi dÉn
quang ®· t¹o ra c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã u ®iÓm tréi
h¬n h¼n so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin c¸p kim lo¹i.
- Suy hao truyÒn dÉn nhá
- B¨ng tÇn truyÒn dÉn rÊt lín
- Kh«ng bÞ ¶nh hëng cña nhiÔu ®iÖn tõ
- Cã tÝnh b¶o mËt tÝn hiÖu th«ng tin cao
- Cã kÝch thíc vµ träng lîng nhá
- Sîi cã tÝnh c¸ch ®iÖn tèt
- Tin cËy vµ linh ho¹t
- Sîi ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu rÊt s½n cã
V× vËy c¸c hÖ thèng th«ng tin quang nhanh chãng ®îc ¸p
dông réng r·i trªn m¹ng líi. Chóng cã thÓ ®îc x©y dùng lµm
c¸c tuyÕn ®êng trôc, trung kÕ, liªn tØnh, thuª bao cã thÓ kÐo
dµi cho tíi c¶ viÖc truy cËp vµo viÖc thuª bao linh ho¹t vµ ®¸p
øng ®îc mäi m«i trêng l¾p ®Æt tõ trong nhµ, trong c¸c cÊu
h×nh thiÕt bÞ cho tíi xuyªn lôc ®Þa, vît ®¹i d¬ng v v… 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 díi d¹ng ghÐp kªnh nµo,
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
10
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
theo c¸c tiªu chuÈn B¾c Mü, Ch©u ¢u hay NhËt B¶n nh ë b¶ng
1.2.
B¾c Mü
Ph©
Tèc
®é
n
Sè kªnh
CÊp
Ch©u ¢u
NhËt B¶n
bÝt Tèc ®é bÝt
Sè Tèc ®é bit
kªnh
Mbit/s
tho¹i
1
2
24
30
3
96
5
tho¹i
8
44,36
448
96
480
32,064
480
139,264
1920
274,176
4032
6,312
34,368
274,176
4032
1,544
24
120
672
Mit/s
2,048
6,312
4
kªnh
Mbit/s
tho¹i
1,544
97,728
1440
565,148
7680
Sè
396,200
5760
B¶ng 1.2. Tèc ®é truyÒn dÉn tiªu chuÈn ë B¾c Mü,
Ch©u ¢u vµ NhËt
Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y cã mét tiªu chuÈn míi ®îc
ph¸t triÓn ®îc gäi lµ SONET tèc ®é truyÒn dÉn ë ®©y cã h¬i
kh¸c, nã x¸c ®Þnh cÊu tróc khung ®ång bé ®Ó gi÷ mét lu lîng
ghÐp kªnh sè trªn sîi quang. Tèc ®é truyÒn dÉn c¬ b¶n vµ lµ
møc ®Çu tiªn cña ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET gäi lµ “TÝn hiÖu
truyÒn t¶i ®ång bé – cÊp 1” STS –1 vµ cã tèc ®é bÝt
51,94Mbit/s. C¸c tÝn hiÖu SONET cÊp cao h¬n gäi lµ tÝn hiÖu
OC-N. TÝn hiÖu OC-N sÏ cã ®êng truyÒn gÊp nhiÒu l©n tÝn
hiÖu OC-1
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
11
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
OC-
Møc
Tèc
1
®é
truyÒn
1,8
4
(Mbit/s)
OC-3
OC-9
OC-
OC-
12
18
155,5 466,5 622,0 933,1
2
6
6
OC-24
OC-36
OC-48
1244,
1866,
2488,
16
24
32
2
B¶ng 1.3. C¸c níc ph©n cÊp tÝn hiÖu SONET
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
(analong) vµ sè (digital), chóng cho phÐp truyÒn tÊt c¶ c¸c tÝn
hiÖu dÞch vô b¨ng hÑp vµ b¨ng réng, ®¸p øng ®Çy ®ñ cña
m¹ng sè liªn kÕt ®a dÞch vô (ISDN). Sè lîng c¸p quang hiÖn
nay ®îc l¾p ®Æt trªn thÕ giíi víi sè lîng rÊt lín, ë ®ñ mäi tèc
®é truyÒn dÉn víi c¸c cù ly kh¸c nhau, c¸c cÊu tróc m¹ng ®a
d¹ng.
Thùc tÕ, th«ng tin quang ®ang ë 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 quang 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 1,2Tbit/s hay truyÒn dÉn soliton cù ly 9400 km t¹i
tèc ®é 70Gbit/s nhê ghÐp 7 kªnh 10Gbit/s…
Râ rµng lµ th«ng tin quang lu«n mang l¹i nhiÒu bÊt ngê
trong sù ph¸t triÓn c«ng nghÖ. §iÒu ®ã muèn nãi r»ng chóng
ta ph¶i thêng xuyªn bæ tóc nhiÒu kiÕn thøc vÒ th«ng tin
quang.
1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng
th«ng tin quang
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
12
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
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. Nã cã cÊu
tróc tuyÕn
th«ng tin quang nh h×nh 1.3
H×nh 1.3. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña tuyÕn truyÒn dÉn
c¸p sîi 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 trêng 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.
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
13
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
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 díi ®Êt, kÐo trong cèng, ®Æt díi
biÓn. Tuú 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 kil«mÐt. Tuy nhiªn ®«i khi 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 cho phÐp dµi ®îc, c¸p cã ®é dµi kh¸ lín
th«ng thêng ®îc dïng hoÆc treo hoÆc ch«n trùu tiÕp. C¸c mèi
hµn sÏ nèi c¸c ®é dµi cña c¸p thµnh ®é dµi tæng céng cña
tuyÕn ®êng ®îc l¾p ®Æt
Mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh cña sîi quang lµ suy hao, ®ã
lµ mét hµm cña
bíc sãng. §Æc tÝnh suy hao cña sîi quang
theo bíc sãng tån t¹i ba vïng mµ t¹i ®ã cã suy hao thÊp lµ c¸c
vïng bíc sãng 850nm, 1300nm vµ 1550nm. Ba vïng bíc 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 cña kü thuËt th«ng tin quang cöa sæ thø nhÊt ®îc sö dông.
Nhng sau nµy c«ng nghÖ chÕ t¹o sîi ph¸t triÓn m¹nh, suy hao
ë hai cöa sæ sau rÊt nhá cho nªn c¸c hÖ thèng th«ng tin quang
chñ yÕu ho¹t ®éng ë cöa sæ thø hai vµ thø ba. C¸c híng
nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ sîi quang cßn cho biÕt r»ng, suy hao
sîi quang ë c¸c vïng bíc sãng dµi h¬n cßn nhá h¬n nöa. Gi¸ trÞ
suy hao sîi nhá nhÊt cã thÓ thu ®îc l¹i ë vïng bíc sãng 2,55m
trªn sîi Fluoride. Sîi dÉn quang cã suy hao nhá nµy ®îc chÕ t¹o
tõ thñy tinh fluoride cã hµm lîng kim lo¹i nÆng trong ®ã ZrF4 lµ
thµnh phÇn chñ yÕu. Gi¸ trÞ suy hao tèi thiÓu ë sîi ®Æc biÖt
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
14
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
nµy ®¹t tíi 0.01 ®Õn 0,001dB/km, nhng viÖc chÕ t¹o cña sîi
quang lo¹i nµy cã ®é dµi ®ñ lín lµ khã kh¨n.
Thø nhÊt lµ ph¶i sö dông c¸c nguyªn liÖu cùc k× tinh
khiÕt ®Ó t¹o møc suy hao thÊp.
Thø hai lµ thuû tinh fluoride dÔ bÞ ho¸ mê, chóng cã ¶nh
hëng rÊt nhiÒu tíi suy hao t¸n x¹.
Nguån ¸nh s¸ng ®îc sö dông ®Ó ph¸t tÝn hiÖu vµo sîi
quang thêng ph¶i t¬ng thÝch víi lâi c¸c sîi quang vÒ kÝch thíc.
Nguån ph¸t quang ë thiÕt bÞ cã thÓ sö dông ®ièt ph¸t quang
(LED) hoÆc Laze b¸n dÉn (LD). C¶ hai lo¹i 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 cã thÓ cã 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 cêng ®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
c«ng suÊt trªn tuyÕn ®îc phÐp lµ bao nhiªu. Nã ®îc diÔn gi¶i
b»ng ®¬n vÞ dBm víi møc 1mw lµm møc tham kh¶o.
t
BiÓu thøc x¸c ®Þnh chung lµ: pt dBm 10 log10 1mw
p
Bíc 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 thêng
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
15
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
bÞ suy hao vµ t¨ng dÇn ®é mÐo theo kho¶ng c¸ch do hiÖu
øng t¸n x¹, hÊp thô, t¸n s¾c vµ mét sè ¶nh hëng kh¸c g©y
nªn. Bé t¸ch sãng quang trong thiÕt bÞ thu quang thùc hiÖn
tiÕp nhËn ¸nh s¸ng vµ lÊy tÝn hiÖu thêng ph¸t tíi. TÝn hiÖu
quang ®îc biÕn ®æi trùc tiÕp trë l¹i thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. C¸c
p«-t«-®i«t p-i-n vµ ph«-t«-®i«t th¸c APD ®Òu cã thÓ sö dông
lµm bé t¸ch sãng quang trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang,
c¶ hai lo¹i nµy nh×n chung ®Òu cã hiÖu suÊt lµm viÖc cao vµ
cã tèc ®é chuyÓn ®æi nhanh. Víi c¸c øng dông mµ tÝn hiÖu
¸nh s¸ng thu ®îc cã c«ng su©t thÊp th× thêng sö dông ph«t«-®i«t th¸c v× nã cã ®é nh¹y cao h¬n nhê c¬ chÕ khuÕch
®¹i néi (hiÖu øng th¸c). Trong vïng 800nm ®Õn 900nm thêng
sö dông t¸ch sãng quang silicon. C¸c vËt liÖu b¸n dÉn chÕ t¹o
nªn c¸c bé t¸ch sãng quang sÏ quyÕt ®Þnh bíc sãng lµm viÖc
cña chóng vµ ®u«i sîi quang ®Çu vµo cña c¸c bé t¸ch sãng
quang còng ph¶i phï hîp víi sîi dÉn quang ®îc sö dông trªn
tuyÕn l¾p ®Æt. YÕu tè quan träng nhÊt ph¶n ¸nh hiÖu suÊt
lµm viÖc cña mét thiÕt bÞ thu quang lµ ®é nh¹y cña quang, nã
m« t¶ c«ng suÊt quang nhá nhÊt cã thÓ thu ®îc ë mét tèc ®é
truyÒn dÉn sè nµo ®ã øng víi tû lÖ lái bÝt (BER) cña hÖ thèng,
®iÒu nµy t¬ng tù nh tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu ë c¸c hÖ thèng
truyÒn dÉn t¬ng tù.
Khi kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn kh¸ dµi, tíi mét cù ly nµo ®ã,
tÝn hiÖu quang trong sîi bÞ suy hao kh¸ nhiÒu th× cÇn thiÕt
ph¶i cã tr¹m lÆp quang lµm nhiÖm vô khuÕch ®¹i vµ t¸i t¹o
tÝn hiÖu. CÊu tróc thiÕt bÞ tr¹m lÆp quang gåm cã thiÕt bÞ
ph¸t vµ thiÕt bÞ thu ghÐp quay phÇn ®iÖn vµo nhau. ThiÕt bÞ
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
16
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
thu ë tr¹m lÆp sÏ thu tÝn hiÖu quang yÕu råi tiÕn hµnh biÕn
®æi tÝn hiÖu ®iÖn, khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®iÖn nµy, t¸i t¹o
h×nh d¹ng vµ ®a vµo ®Çu vµo thiÕt bÞ ph¸t quang. ThiÕt bÞ
ph¸t quang thùc hiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh tÝn hiÖu
quang råi l¹i ph¸t tiÕp vµo ®êng truyÒn. Nh÷ng n¨m gÇn
®©y, c¸c bé khuÕch ®¹i quang ®· ®îc sö dông ®Ó thay thÕ
cho c¸c tr¹m lÆp quang, nã thùc hiÖn khuÕch ®¹i trùc tiÕp
tÝn hiÖu quang mµ kh«ng ph¶i th«ng qua qu¸ tr×nh biÕn ®æi
quang- ®iÖn.
1.4. HiÖu øng soliton
Khi xung lan truyÒn trong m«i trêng phi tuyÕn, bao giê
còng thay ®æi c¸c th«ng sè cña xung trong qu¸ tr×nh lan
truyÒn còng chÞu ¶nh hëng cña nhiÒu hiÖu øng kh¸c nhau.
XÐt ®èi víi hiÖu øng kh«ng gian, ®ã lµ hiÖn tîng tù héi tô vµ
tÝn hiÖu ph©n k×, cßn hiÖu øng liªn quan ®Õn thêi gian ®ã lµ
hiÖu øng t¸n s¾c vµ hiÖu øng tù biÕn ®iÖu pha. Trong qu¸
tr×nh lan truyÒn xung cã thÓ bÞ nÐn l¹i hay më réng ra, tuú
thuéc vµo mèi t¬ng quan gi÷a c¸c hiÖu øng ®ã. Trong
tr-
êng hîp ®Æc biÖt, khi c¸c hiÖu øng tù triÖt tiªu lÉn nhau lóc
®ã xung lan truyÒn trong m«i trêng sÏ cã h×nh d¹ng kh«ng
thay ®æi vµ ®îc gäi lµ soliton.
1.4.1. C¬ së cña soliton thêi gian
Xung ¸nh s¸ng lan truyÒn trong m«i trêng t¸n s¾c tuyÕn
tÝnh, h×nh d¹ng cña nã liªn tiÕp thay ®æi. Bëi v× c¸c thµnh
phÇn tÇn sè hîp thµnh xung lan truyÒn víi c¸c nhãm vËn tèc
kh¸c nhau vµ chÞu nh÷ng thêi gian trÔ kh¸c nhau. Trong khi
®ã ®èi víi m«i trêng phi tuyÕn kh«ng t¸n s¾c, h×nh d¹ng cña
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
17
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
xung trong khi lan truyÒn kh«ng bÞ thay ®æi mµ chØ cã sù
dÞch chuyÓn tÇn sè g©y nªn bëi hiÖn tîng tù biÕn ®iÖn pha.
Tuú thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i trêng mµ t¸c ®éng cña c¸c
hiÖu øng nµy cã thÓ cïng chiÒu hay ngîc chiÒu nhau.
Trong trêng hîp ®Æc biÖt, t¸c ®éng cña hai hiÖu øng nµy
tù triÖt tiªu lÉn nhau vµ lóc nµy cã soliton thêi gian.
Trong m«i trêng t¸n s¾c thêng, nghÜa lµ hÖ sè 0” > 0,
lóc nµy vËn tèc nhãm t¨ng dÇn theo sù t¨ng cña bíc sãng.
ChÝnh ®iÒu chØnh nµy ®· lµm cho
sên tríc cña xung trong
qu¸ tr×nh lan truyÒn bÞ dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng ng¾n,
cßn sên sau cña xung dÞch chuyÓn vÒ bíc sãng dµi (h×nh 1.4).
''
Trong m«i trêng t¸n s¾c dÞ thêng, nghÜa lµ 0 0 , trêng
hîp nµy vËn tèc nhãm gi¶m dÇn theo sù t¨ng cña bíc sãng.
§iÒu nµy dÉn ®Õn sên tríc cña xung trong qu¸ tr×nh lan
truyÒn bÞ dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng dµi, cßn sên sau cña
xung l¹i dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng ng¾n, nh÷ng sù thay
®æi nµy cã thÓ thÊy râ trong h×nh 1.5.
Khi bá qua hiÖn tîng t¸n s¾c, trong m«i trêng phi tuyÕn,
xung lan truyÒn cã h×nh d¹ng vµ cêng ®é kh«ng thay ®æi,
nhng pha cña chóng l¹i thay ®æi do sù phô thuéc cña chiÕt
suÊt vµo cêng ®é trêng. ChÝnh sù tù biÕn ®iÖu pha ®· g©y
nªn sù tù dÞch tÇn, tuy nhiªn sù tù dÞch tÇn cßn phô thuéc vµo
dÊu cña chiÕt suÊt phi tuyÕn n2
t
M«i
tr
êng
t¸n
s¾c
SVTH: Ph¹m §×nh DiÖn -tuyÕ
Líp 43B - VËt lý
n
H×nh 1.4. Sù më réng
xung khi lan truyÒn
tÝnh
trong m«i trêng t¸n s¾c thêng.
18
Kho¸ luËn tèt nghiÖp
t
M«i
trêng
t¸n
s¾c
tuyÕ
n
tÝnh
H×nh 1.5. Sù më réng xung khi lan
truyÒn trong m«i trêng t¸n s¾c dÞ thêng .
Trêng hîp mµ chiÕt suÊt phi tuyÕn n 2 > 0, trong qu¸
tr×nh lan truyÒn trong m«i trêng phi tuyÕn sên tríc cña xung
tÇn sè t¨ng thªm (dÞch chuyÓn vÒ ph¸i tÇn sè cao). Ngîc l¹i
tÇn sè cña sên sau l¹i gi¶m (dÞch chuyÓn vÒ tÇn sè thÊp ).
Nh÷ng ®iÒu nµy cã thÓ thÊy râ trong h×nh 1.6
H×nh 1.6:
Qu¸ tr×nh tù biÕn ®æi pha qua m«i trêng
Kerr
SVTH:
Ph¹m §×nh DiÖn - Líp 43B - VËt lý
(a) Biªn ®é chuÈn ho¸ cña xung vµo,
(b) Hµm biÕn ®æi pha c¶m øng
19
- Xem thêm -