Thiết kế tuyến thông tin quang hà tĩnh thanh hóa ghép kênh theo bước sóng wdm

QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

Thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử phát triển của loài người, bắt nguồn từ phương pháp ra dấu để giao tiếp Liên lạc bằng ra dấu là một dạng của thông tin quang, chủ yếu hoạt động vào ban ngày nhờ ánh sáng mặt trời để truyền tải thông điệp Mắt là thiết bị thu nhận thông tin, và bộ não xử lý các tín hiệu này với tốc độ chậm, giới hạn về khoảng cách và dễ gây lỗi Trong quá trình tiến bộ, hệ thống thông quang còn phát triển thành truyền tín hiệu bằng khói, trong đó khói được tạo ra bằng cách thay đổi dạng phát ra từ lửa, rồi truyền đến người nhận bằng ánh sáng mặt trời, đòi hỏi phương pháp mã hóa để đảm bảo người gửi và người nhận có thể hiểu đúng nội dung.

Lịch sử của truyền thông quang học đã trải qua một quá trình dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa để truyền tin, đến những bước tiến lớn trong công nghệ truyền dẫn dữ liệu Qua các giai đoạn phát triển, công nghệ này đã hoàn thiện và trở thành một phần quan trọng trong hệ thống truyền thông hiện đại Các mốc chính trong sự phát triển của truyền thông quang học bao gồm những bước đột phá giúp nâng cao tốc độ và hiệu quả truyền tải thông tin, từ đó thúc đẩy sự tiến bộ của các hệ thống liên lạc toàn cầu.

- Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới

Năm 1790, kỹ sư người Pháp Claude Chappe đã phát minh ra hệ thống điện báo quang, sử dụng chuỗi tháp với đèn tín hiệu để truyền tin nhanh chóng Hệ thống này có khả năng gửi tín hiệu qua quãng đường dài tới 200 km chỉ trong vòng 15 phút, đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ truyền thông thời kỳ đó.

Năm 1854, nhà vật lý tự nhiên người Anh John Tyndall đã thực hiện thành công một thí nghiệm mang tính bước ngoặt, chứng minh rằng ánh sáng có thể truyền qua các môi trường điện môi trong suốt, mở ra nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực quang học và vật lý.

- Năm 1870: cũng John Tyndall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần

- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ đã phát minh ra một hệ

Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn

Hệ thống photophone là một phương pháp truyền tải thông tin dựa trên ánh sáng, trong đó ông đã sử dụng ánh sáng mặt trời phản xạ qua gương phẳng để truyền âm thanh Tại điểm thu, ánh sáng mặt trời đã bị điều chế đập vào tế bào quang dẫn selen, chuyển đổi thông điệp thành dòng điện để tiếp tục quá trình truyền tin Mặc dù hệ thống này hoạt động hiệu quả, nhưng do nguồn nhiễu lớn ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền nên photophone chưa bao giờ đạt thành công thương mại.

- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh

Trong những năm 1950, các nhà khoa học như Brian O’ Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang hai lớp gồm lớp lõi bên trong để truyền sáng và lớp bọc (cladding) bao quanh nhằm nhốt ánh sáng trong lõi Sợi quang này sau đó được ứng dụng để phát triển Fiberscope uốn cong, một thiết bị xem bằng sợi quang cho phép truyền hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Khả năng uốn cong của Fiberscope giúp quan sát các vùng khó tiếp cận mà không thể xem bằng phương pháp thông thường Hiện nay, hệ thống Fiberscope vẫn được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong y học để nội soi bên trong cơ thể người.

- Vào những năm 1985: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép dung tăng cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

- Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa Laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

Năm 1996, các nhà khoa học Charles K Kao và George Hockham thuộc tổ chức Standard Telecommunication của Anh đã tiến hành nhiều thí nghiệm nhằm chứng minh rằng việc chế tạo thủy tinh trong suốt hơn nhờ giảm tạp âm sẽ giảm thiểu sự suy hao ánh sáng trong sợi quang Họ khẳng định rằng, nếu sợi quang được sản xuất với độ tinh khiết cao, ánh sáng có thể truyền đi xa hơn nhiều, mở ra những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực truyền dẫn dữ liệu qua sợi quang.

- Năm 1967: Suy hao sợi quang được báo cáo là α ≈ 1000 dB/Km

- Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α < 20 dB/Km ở bước sóng λ = 633 nm

- Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α ≈ 4dB/Km

- Năm 1983: sợi SM ( single Mode) được sản xuất ở Mỹ

- Năm 1998: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài có tốc độ 10Gbit/s trên chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tiếp phân bố

Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km ở bước sóng 1550 nm và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều.

Hệ thống thông tin quang

Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như điện thoại, fax, điện báo được mã hóa và chuyển đến thiết bị phát quang để chuyển đổi thành tín hiệu quang Trong quá trình truyền qua sợi quang, tín hiệu bị suy hao nên các trạm lặp được đặt để khôi phục lại tín hiệu ban đầu, giúp cho truyền dữ liệu liên tục và ổn định Khi đến thiết bị thu quang, tín hiệu quang được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện, phục hồi tín hiệu ban đầu để gửi đến các thiết bị đầu cuối, đảm bảo quá trình truyền tải thông tin hiệu quả.

Hệ thống thông tin quang gồm có những phần chính là:

- Bộ phát quang: bao gồm mạch điều khiển và nguồn quang có nhiệm vụ

Hình 1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin quang

Phần tử phát xạ ánh sáng trong hệ thống truyền dẫn quang gồm có LED và LASER, với nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để gửi qua sợi quang LED phù hợp cho các hệ thống thông tin quang có tốc độ không quá 200Mbps sử dụng sợi đa mode nhờ đặc tính phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng, đòi hỏi công suất bức xạ cao và thời gian đáp ứng nhanh để tối ưu hiệu quả Trong khi đó, LASER khắc phục nhược điểm của LED nhằm truyền dẫn tốc độ cao hơn, với phổ phát xạ rất hẹp từ 1 đến 4nm giúp giảm tán sắc và tăng hiệu quả ghép ánh sáng vào sợi quang nhờ góc phát quang hẹp từ 5-10 độ cùng hiệu suất cao hơn trong việc truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao.

Bộ thu quang gồm các linh kiện chính như bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu nhằm chuyển đổi tín hiệu quang trở lại thành tín hiệu điện sau khi nhận được từ đầu phát Tín hiệu quang truyền đến đầu thu sẽ được thu nhận và biến đổi thành tín hiệu điện để tiếp tục xử lý Các diod quang PIN và diod quang kiểu thác ADP, được chế tạo từ các bán dẫn cơ bản như Si, Ge, InP, là những linh kiện chủ yếu dùng để tách sóng quang hiệu quả.

Phần truyền dẫn trong hệ thống quang gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, bộ tách hoặc ghép và bộ lặp, trong đó sợi quang được bọc cáp bảo vệ là thành phần then chốt giúp bảo vệ các sợi quang trong quá trình lắp đặt và vận hành, đồng thời còn chứa dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp nếu cần thiết Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng gồm ba vùng suy hao thấp quanh các bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm, được gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba; trong lịch sử, hệ thống sử dụng cửa sổ thứ nhất, nhưng hiện nay do công nghệ chế tạo sợi phát triển nên chủ yếu hoạt động ở cửa sổ thứ hai và thứ ba để giảm thiểu suy hao Khi cự ly truyền quá dài, tín hiệu quang có thể suy yếu hoặc không đến được đầu thu, dẫn đến công suất thấp, gây khó nhận biết; lúc này, bộ lặp sẽ nhận tín hiệu quang suy yếu, tái tạo thành tín hiệu điện, xử lý và khuếch đại, sau đó chuyển đổi trở lại thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền tải.

Khuếch đại quang Đầu thu quang

Bộ nối quang thu Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Hình 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin quang.

Đặc điểm của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có ưu điểm:

Suy hao thấp giúp tăng khoảng cách truyền dẫn của cáp quang, cho phép truyền dữ liệu xa hơn so với cáp đồng Cụ thể, trong cùng một mạng, khoảng cách tối đa đối với cáp đồng thường là khoảng 100 mét, trong khi đó, cáp quang có thể truyền dữ liệu lên đến 2000 mét nhờ vào đặc tính suy hao thấp Điều này giúp giảm thiểu sự mất mát tín hiệu và tăng hiệu suất truyền tải dữ liệu trên mạng lưới.

Một nhược điểm chính của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu, khiến tốc độ truyền dữ liệu cao hơn sẽ làm tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách truyền thực tế Ngược lại, cáp quang không gặp phải vấn đề suy hao theo tần số, giúp duy trì hiệu suất truyền tải ổn định ở tốc độ cao hơn và khoảng cách xa hơn.

Sợi quang có băng thông rộng, cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số với tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu lớn hiện nay Hiện tại, băng tần của sợi quang có thể lên tới hàng THz, mang lại khả năng truyền tải dữ liệu khổng lồ và hiệu quả cao cho các mạng cáp quang và ứng dụng công nghệ cao.

- Trọng lượng nhẹ: Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

- Kích thước nhỏ: Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc

6 thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

- Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp

- Tính an toàn: vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

Sợi quang nổi bật với tính bảo mật cao nhờ khả năng chống trích tín hiệu hiệu quả Vì sợi quang không bức xạ năng lượng điện từ, nên không thể bị lấy cắp thông tin qua các phương pháp điện thông thường như dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ Điều này giúp đảm bảo an toàn dữ liệu một cách tối ưu, tránh nguy cơ rò rỉ thông tin qua các hình thức tấn công truyền thống.

- Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video

Hệ thống thông tin quang có nhược điểm:

- Vấn đề biến đổi Điện- Quang: Trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành dạng sóng ánh sáng

Sợi quang sử dụng trong viễn thông chính là thủy tinh, vì thế chúng dễ bị dòn và dễ gãy khi chịu lực tác động Do kích thước nhỏ của sợi quang, quá trình hàn nối gặp nhiều khó khăn và yêu cầu thiết bị chuyên dụng để đảm bảo kết nối chắc chắn.

- Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sữa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

An toàn lao động khi hàn nối sợi quang là vô cùng quan trọng để tránh các nguy hiểm có thể xảy ra Người thợ cần giữ các mảnh cắt trong lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh nhỏ trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực tiếp vào đầu sợi quang hoặc các khớp nối hở để phòng tránh ánh sáng truyền trong sợi trực tiếp vào mắt Ánh sáng trong hệ thống truyền thông quang học là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được và điều này gây nguy hiểm nếu bị tiếp xúc lâu dài.

Sợi quang

Sợi quang là các dây nhỏ, dẻo dùng để truyền ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại, gồm một lõi ở trung tâm và phần vỏ bao quanh Để ánh sáng phản xạ toàn phần trong lõi, chiết suất của lõi cần lớn hơn chiết suất của lớp vỏ một chút.

- Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ

Trong cấu trúc của dây quang, thủy tinh bao quanh lõi đóng vai trò bảo vệ và hỗ trợ truyền sáng hiệu quả Lõi thủy tinh có nhiệm vụ chính là dẫn truyền ánh sáng qua dây quang Vỏ thủy tinh được thiết kế để tạo ra phản xạ toàn phần tại điểm tiếp xúc với lõi, nhờ đó giữ ánh sáng bên trong và giảm thi hao tín hiệu Để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần, chỉ số chiết quất của lõi phải lớn hơn chỉ số của vỏ thủy tinh.

5 Thép gia cường vỏ bọc PE

Hình 1.3 Cấu trúc tổng thể của sợi

Sợi cáp quang gồm ba thành phần chính quan trọng: lõi (core) là trung tâm truyền dữ liệu; lớp phản xạ ánh sáng (cladding) giúp giữ ánh sáng trong lõi và tăng khả năng truyền dữ liệu hiệu quả; và lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi là coating hoặc primary buffer) bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hưởng của môi trường, đảm bảo độ bền và độ tin cậy cho hệ thống truyền dẫn.

Core của cáp quang được làm bằng sợi thủy tinh hoặc nhựa (plastic) nhằm truyền dẫn ánh sáng hiệu quả Để ánh sáng phản xạ hoàn toàn trong lõi của cáp, chiết suất của lõi phải cao hơn so với lớp vỏ bọc bên ngoài Điều này đảm bảo tối đa quá trình truyền tải dữ liệu qua cáp quang, mang lại hiệu suất truyền dẫn tối ưu.

8 lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút

Cladding bao bọc core là lớp thủy tinh hoặc nhựa nhằm bảo vệ lõi và phản xạ ánh sáng trở lại lõi quang học Lõi và áo được chế tạo từ các vật liệu như silica, nhựa, kim loại, fluor hoặc sợi quang kết tinh, với thành phần có chiếc suất khác nhau để đảm bảo hiệu quả truyền dẫn Việc sử dụng lớp cladding giúp tăng cường khả năng truyền sáng, giảm mất mát tín hiệu và nâng cao hiệu suất của cáp quang.

Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC có tác dụng bảo vệ lõi quang và cladding khỏi bụi, độ ẩm, trầy xước, đồng thời chống ăn mòn và xuyên âm từ các sợi quang bên cạnh Lớp vỏ này giúp giữ cho sợi quang luôn trong tình trạng tốt, đảm bảo hiệu suất truyền tải tối ưu Ngoài ra, primary coating còn ngăn chặn các tác nhân bên ngoài ảnh hưởng đến sợi quang, kéo dài tuổi thọ và độ bền của hệ thống cáp quang.

Hai loại cáp quang phổ biến là GOF (Glass Optical Fiber), tức cáp quang làm bằng thủy tinh, và POF (Plastic Optical Fiber), sử dụng chất liệu nhựa POF có đường kính core khá lớn, khoảng 1 mm, phù hợp cho truyền dẫn tín hiệu qua khoảng cách ngắn và mạng có tốc độ thấp.

Bảo vệ sợi cáp quang gồm nhiều lớp vỏ ngoài phù hợp với cấu tạo và tính chất của từng loại cáp, trong đó có ba lớp bảo vệ chính: lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) Lớp strength member thường được làm từ sợi Kevlar, chịu nhiệt và chịu kéo căng để bảo vệ sợi quang khỏi tác động cơ học Lớp buffer thường bằng nhựa PVC giúp chống va đập, ẩm ướt và bảo vệ sợi bên trong khỏi tác động môi trường Lớp jacket là lớp bảo vệ ngoài cùng, có khả năng chịu va đập, nhiệt và mài mòn, bảo vệ cáp khỏi các ảnh hưởng từ môi trường và có thể có các lớp jacket khác nhau tùy theo yêu cầu sử dụng.

Có hai loại thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (close- tube) và ống đệm chặt (tight buffer)

1.4.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang là môi trường truyền thông đặc biệt so với cáp đồng hoặc không gian tự do, mang lại khả năng truyền tín hiệu hiệu quả hơn Một trong những ưu điểm nổi bật của sợi quang là suy hao tín hiệu thấp trên phạm vi tần số rộng, giúp duy trì chất lượng tín hiệu trong khoảng cách xa Nhờ đặc tính này, tín hiệu có thể được truyền đi với tốc độ cao qua các khoảng cách dài trước khi cần khuyếch đại hoặc tái lặp lại, phù hợp cho các ứng dụng truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao.

Một sợi quang bao gồm một lõi hình trụ được bao quanh bởi lớp vỏ, cả hai đều chủ yếu làm từ silica (SiO₂) với chỉ số khúc xạ khoảng 1.45 Chỉ số khúc xạ của vật liệu là tỉ lệ giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong chất liệu đó, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền và dẫn ánh sáng trong sợi quang.

9 độ ánh sáng trong vật liệu đó n = c v (1.1)

Trong đó: n: Chiết suất của môi trường c: Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị: m/s v: Vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị: m/s

Trong quá trình sản xuất sợi quang, các tạp chất như Germani hoặc Photpho được thêm vào lõi để tăng chỉ số khúc xạ của silica, giúp cải thiện khả năng truyền sáng của sợi Ngược lại, chất Bô hoặc Flo được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ vì chúng làm giảm chỉ số khúc xạ của silica, tăng khả năng phản xạ của sợi quang Ánh sáng trong sợi quang hoạt động như một chùm tia truyền theo các đường thẳng, bị phản xạ hoặc khúc xạ khi gặp các bề mặt phân cách giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau Quá trình này giúp ánh sáng duy trì trong lõi của sợi, tối ưu hóa khả năng truyền tín hiệu qua khoảng cách xa.

Góc tới là góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt phân chia hai môi trường, được ký hiệu là θ1 Phần năng lượng phản xạ về môi trường 1 tạo thành tia phản xạ, trong khi phần năng lượng xuyên qua môi trường 2 trở thành tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến, còn góc khúc xạ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến, giúp xác định hướng của các tia sau khi gặp bề mặt phân chia.

Theo định luật Snell: n 1 sinθ 1 = n2.sinθ 2 (1.2)

Khi góc tới θ 1 tăng lên thì góc khúc xạ θ2 cũng tăng theo Nếu θ2 = 90 0 thì sinθ1 = n1 n2

, lúc này góc θ 1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θ c = sin - 1 n1 n2 , với n1 > n2

Khi góc tới θ1 vượt quá giá trị θc, không có tia khúc xạ nào xuất hiện và toàn bộ năng lượng của tia tới bị phản xạ hoàn toàn Hiện tượng này chính là phản xạ toàn phần, một hiện tượng quang học quan trọng trong các ứng dụng như cáp quang và truyền sóng trong vật liệu trong suốt Hiểu rõ hiện tượng phản xạ toàn phần giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu ánh sáng và giảm tổn thất năng lượng trong các hệ thống quang học.

Sự phản xạ và khúc xạ của các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường được biễu diễn trên hình 1.5

Hình 1.5 Sự phản xạ, khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn

Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn để ánh sáng truyền qua sợi quang bằng hiện tượng phản xạ toàn phần Hiện tượng này xảy ra giữa bề mặt phần lõi và vỏ của sợi quang, như được mô tả trong hình 1.6 Điều này giúp ánh sáng duy trì truyền tải hiệu quả trong sợi quang và hạn chế mất mát tín hiệu.

Hình 1.6 Ánh sáng trong sợi quang

Hình trên cho thấy ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết suất n 0 ) vào sợi

1.4.3 Phân loại sợi quang 1.4.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi

Phân loại vật liệu điện môi gồm có ba loại chính: loại sợi bao gồm chủ yếu thủy tinh thạch anh, loại thứ hai là các loại vật liệu thủy tinh đa dạng, và loại thứ ba là sợi nhựa.

Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang là thành phần quan trọng trong hệ thống thông tin quang, chịu trách nhiệm biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang để truyền dẫn qua sợi quang Các nguồn phát quang bán dẫn như diode LED và diode laser LD thường được sử dụng nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp phù hợp với kích thước lõi sợi, và khả năng điều chế trực tiếp ở tần số cao.

1.5.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng

Giả thuyết cho rằng nếu một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp (E1) và không có điện tử nào nằm ở mức năng lượng cao hơn (E2), thì khi có năng lượng bằng mức năng lượng chênh lệch, điện tử sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn (E2) Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để truyền năng lượng tới mức cao hơn gọi là kích thích, thúc đẩy sự dịch chuyển của điện tử giữa các mức năng lượng khác nhau Khi điện tử rời khỏi mức năng lượng cao (E2) do tác động của hạt nhân nguyên tử, nó sẽ quay trở lại trạng thái ban đầu (E1), giải phóng năng lượng đúng bằng mức năng lượng chênh lệch giữa hai mức này.

Khi E2 được giải phóng, xảy ra hiện tượng phát xạ tự phát, trong đó năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát Theo lý thuyết cơ học lượng tử, bước sóng của ánh sáng phát xạ này được xác định bằng công thức: λ = c / h, trong đó c là vận tốc của ánh sáng và h là hằng số Planck.

Vận tốc ánh sáng là 20 c = 3,10^8 m/s Bước sóng của ánh sáng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo nên các linh kiện phát quang, do đó bước sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất của vật liệu Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch năng lượng được thể hiện rõ ràng trên hình 1.11, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phát quang của vật liệu.

Hình 1.11 Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch

Khi ánh sáng có năng lượng bằng E2 - E1 đập vào điện tử đang ở trạng thái kích thích, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái E2 về E1, gây ra hiện tượng phát xạ kích thích có năng lượng lớn hơn ánh sáng phát ra tự nhiên Trong cơ chế phát xạ của bán dẫn, quá trình này dựa vào khả năng tái hợp bức xạ phát quang của các hạt dẫn trong trạng thái kích thích Theo điều kiện cân bằng nhiệt, điện tử chủ yếu tập trung ở vùng hóa trị với mức năng lượng thấp, còn một số ít ở vùng dẫn với mức năng lượng cao; giả sử trong bán dẫn có N điện tử, trong đó n1 ở vùng hóa trị và n2 ở vùng dẫn Khi có ánh sáng chiếu vào, tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và hoạt động hấp thụ tỷ lệ thuận với tỷ số n2/n1, trong đó quá trình hấp thụ chiếm ưu thế và lượng ánh sáng phát ra giảm đi đáng kể.

LED được phát triển dựa trên cấu tạo từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận để phát sáng Quá trình phát xạ ánh sáng trong LED diễn ra thông qua hiện tượng phát xạ quang khi các electron và lỗ trống kết hợp trong chất bán dẫn Đây là công nghệ chiếu sáng hiệu quả, sử dụng nguyên lý hoạt động của các diode bán dẫn để phát ra ánh sáng quang học.

Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) là nguồn phát quang phù hợp cho các hệ thống truyền thông quang tốc độ thấp hơn 200 Mbit/s Phần tử này thường được sử dụng trong các ứng dụng sử dụng sợi dẫn quang đa mode, nhờ vào khả năng phát sáng hiệu quả và ổn định LED quang là lựa chọn tối ưu cho kết nối quang ngắn hạn và yêu cầu truyền dữ liệu không quá cao, giúp đảm bảo chất lượng tín hiệu và tiết kiệm chi phí.

Để sử dụng hiệu quả hệ thống thông tin quang, LED cần có công suất bức xạ cao, đáp ứng nhanh và có hiệu suất lượng tử lớn Công suất bức xạ, đo bằng Watt, phản ánh lượng năng lượng ánh sáng phát ra theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát Một công suất bức xạ cao không chỉ giúp dễ dàng ghép nối giữa các sợi quang và LED mà còn tăng công suất phát ra từ đầu sợi, nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu trong hệ thống quang học.

Trong giai đoạn đầu, diode phát quang chủ yếu được sử dụng cho các sợi quang đa mode, do công nghệ thông tin quang chưa phổ biến rộng rãi Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn, khi hệ thống truyền thông quang phát triển mạnh mẽ hơn, các sợi dẫn quang đơn mode đã được đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang Các module LED có sợi dẫn quang đơn mode trở thành sản phẩm phổ biến, phù hợp cho các mạng nội hạt, truy cập và tuyến ngắn nhờ vào chi phí thấp và khả năng hoạt động ổn định Đặc biệt, nguồn phát diode cho sợi đơn mode (SMF) có công suất quang đầu ra ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường tích hợp mạch điều khiển đơn giản, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành.

Thực nghiệm đã thành công với việc mở rộng độ dài tuyến lên tới 9,6 km với tốc độ 2 Gbps và 100 km với tốc độ 16 Mbps LED nổi bật với ưu điểm về giá thành thấp và độ tin cậy cao, phù hợp sử dụng trong mạng nội hạt và các tuyến thông tin quang ngắn có tốc độ bit trung bình thấp.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)có rất nhiều dạng và đủ các kích cỡ Chúng tồn tại ở dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Về cơ bản, cấu tạo của Laser gồm các đặc điểm sau:

- Cấu trúc nhiều lớp bán dẫn p, n

- Ánh sáng phát ra và được giữ trong lớp tích cực

- Lớp tích cực rất mỏng, làm bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa hai lớp

P và N có chiết suất nhỏ hơn

- Ánh sáng của Laser phát ra ở phía cạnh, giống như LED phát xạ cạnh

- Ánh sáng được đưa ra ngoài qua một phần được cắt nhẵn của một mặt phản xạ

Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng:

Hiện tượng phát xạ tự kích trong laser tạo ra sự khuếch đại ánh sáng mạnh mẽ, bằng cách kích thích điện tử trong vùng dẫn để phát ra photon thứ hai Quá trình này tiếp tục theo phản ứng dây chuyền, tạo ra nhiều photon có tính kết hợp, giúp nâng cao cường độ ánh sáng và nâng cấp hiệu quả hoạt động của laser.

Hiện tượng cộng hưởng của ánh sáng khi lan truyền trong laser là quá trình chọn lọc tần số hoặc bước sóng của ánh sáng Chỉ những ánh sáng có tần số hoặc bước sóng phù hợp với điều kiện về pha của hốc cộng hưởng mới có khả năng lan truyền và cộng hưởng trong hốc, giúp duy trì và khuếch đại laser hiệu quả Điều này đảm bảo chỉ những bước sóng chính xác mới được phát triển mạnh trong quá trình phát xạ laser, góp phần nâng cao chất lượng và độ chính xác của tia laser.

Các hệ thống thông tin quang thường có tốc độ rất cao, với nhiều hệ thống thương mại hiện nay đạt từ 2.5 Gbit/s đến 10 Gbit/s, trong khi các hệ thống trong phòng thí nghiệm kết hợp công nghệ tiên tiến đã đạt tới tốc độ 40 Gbit/s Các hệ thống nhiều kênh sử dụng công nghệ WDM trong phòng thí nghiệm đã đạt từ 1,2 đến 1,6 Tbit/s, yêu cầu băng tần lớn và phù hợp hơn với các diode phát quang LD thay vì LED Các diode laser (LD) có thời gian phản hồi nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ trung bình từ 0,8nm đến 2nm hoặc nhỏ hơn, và công suất ghép vào sợi quang đạt vài miliwatt, phù hợp với yêu cầu tốc độ cao của hệ thống truyền thông quang.

1.5.4 Nhiễu trong nguồn phát laser

Nhiễu trong Laser xảy ra khi tín hiệu quang phát ra không ổn định về công suất phát quang, bước sóng phát quang và độ rộng phổ, gây ảnh hưởng đến chất lượng của tia laser Nguyên nhân chính gây ra nhiễu gồm nhiều yếu tố khác nhau như biến động trong nguồn cung cấp năng lượng, nhiệt độ môi trường, hoặc các yếu tố kỹ thuật liên quan đến hoạt động của Laser Hiểu rõ các nguyên nhân này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của Laser và giảm thiểu nhiễu trong quá trình vận hành.

Nhiễu lượng tử là loại nhiễu phát sinh do tính chất ngẫu nhiên và rời rạc trong quá trình phát xạ photon ánh sáng, gây ra sự dao động không ổn định trong công suất phát quang tại ngõ ra Nhiễu lượng tử ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ ổn định của các hệ thống quang học, phụ thuộc vào các yếu tố như cường độ phát xạ và điều kiện hoạt động của thiết bị Hiểu rõ về nhiễu lượng tử giúp tối ưu hóa hiệu quả các ứng dụng quang học và nâng cao độ chính xác trong các phép đo, nghiên cứu photon lượng tử.

+ Tần số điều chế của tín hiệu quang + Nguồn quang đa mode hay đơn mode: ảnh hưởng nhiều hơn đối với Laser đa mode

+ Dòng phân cực điện: giảm nhiễu khi dòng điện phân cực lớn hơn dòng ngưỡng của Laser

Thiết bị thu quang

Trong các hệ thống thông tin quang, bộ thu quang đóng vai trò vô cùng quan trọng, bởi nó biến đổi sóng tín hiệu quang từ phía phát đi thành tín hiệu điện để xử lý Tại bộ thu quang, tín hiệu quang nhận được được chuyển đổi thành tín hiệu điện qua bộ biến đổi quang - điện (O/E), thường là một photodiode tách sóng theo quy luật bình phương Bộ tách sóng photodiode biến đổi trực tiếp công suất quang thành dòng điện, gọi là bộ thu tách trực tiếp DD (Direct Detection) Các thành phần chính của bộ biến đổi O/E thường là photodiode p-i-n hoặc photodiode avalanche (APD), đảm bảo độ nhạy và hiệu suất cao trong hệ thống quang học.

Photodiode p-i-n là thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, cấu trúc gồm các vùng p và n được cách nhau bằng lớp tự dẫn i mỏng Để hoạt động hiệu quả, photodiode cần được cấp nguồn ngược để loại bỏ các hạt mang trong vùng Khi ánh sáng chiếu vào, nếu photon mang năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng của dải cấm trong vật liệu bán dẫn, nó sẽ kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống Quá trình này là cơ sở hoạt động của photodiode p-i-n trong việc tách sóng ánh sáng thành tín hiệu điện.

Trong bài viết về các bộ tách sóng quang, tôi muốn nhấn mạnh rằng 24 bộ tách sóng quang được thiết kế để tối ưu hóa khả năng phân tách các hạt mang ánh sáng Đặc biệt, các hạt này chủ yếu phát ra tại vùng nghèo, nơi mà phần lớn ánh sáng tiếp xúc bị hấp thụ, như minh họa trong hình 1.12 Thiết kế này giúp nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu trong hệ thống truyền quang, góp phần cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng lưới.

Hình 1.12 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng của photodiode p-i-n

Trong điều kiện lý tưởng, mỗi photon khi chiếu vào sẽ tạo ra một xung điện trong mạch ngoài, với giá trị trung bình của dòng điện tỷ lệ thuận với công suất của ánh sáng chiếu vào Tuy nhiên, trong thực tế, hiệu suất này không đạt được hoàn hảo do một phần ánh sáng bị mất đi do phản xạ, làm giảm hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng sang dòng điện.

Bảng 1.2 Các đặc tính của các photodiode p-i-n

Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs

Thời gian lên Tr Ns 0,5÷1 0,1÷0,5 0,05÷0,5

Vùng nghèo Vùng hoá trị

ADP là bộ tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi và độ lợi này làm tăng đáp ứng so với PIN

Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P + , π, P, N

- P + , N + là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao nên điện trở của hai vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ

Vùng Π là khu vực có nồng độ tạp chất rất thấp, gần như tinh khiết, giống như lớp I của PIN, nơi hầu như tất cả các photon bị hấp thụ để tạo ra các cặp lỗ trống và điện tử tự do Để nâng cao độ nhạy của diode quang, hệ thống sử dụng hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện, nổi bật là Photodiode Avalanche (APD), có khả năng khuếch đại tín hiệu nhỏ hiệu quả hơn Sau khi photon được chuyển đổi thành điện tử, dòng điện này được khuếch đại ngay bên trong diode trước khi đi vào mạch khuếch đại, giúp tăng mức tín hiệu và cải thiện độ nhạy của máy thu Hiệu ứng nhân xảy ra khi các hạt mang năng lượng đủ lớn để ion hóa các điện tử xung quanh qua va chạm, tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới, tiếp tục gia tốc trong điện trường cao và kích hoạt chuỗi các phóng điện, gọi là hiệu ứng thác.

Hình 1.13 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi p

Vùng nghèo Trường tối thiểu cần thiết để tác động ion hoá

Bảng 1.3 Các đặc tính của các photodiode thác APD

Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs

Bước sóng Λ Μm 0,4÷1,1 0,8÷1,8 1,0÷1,7 Đáp ứng R APD A/W 80÷130 3÷30 5÷20

Thời gian lên Tr Ns 0,1÷1 0,5÷0,8 0,1÷5

Nhiễu trong hệ thống thu quang

Nhiễu nhiệt là nhiễu gây ra do điện trở tải của diode thu quang củng như trở kháng đầu vào của bộ tiền khuếch đại

Nhiễu nhiệt I t phụ thuộc vào nhiệt độ, bề rộng băng nhiễu và điện trở tải theo công thức:

T: nhiệt độ tuyệt đối, o K B: bề rộng băng, HZ R: điện trở tải, Ω

Nhiễu lượng tử xuất hiện do sự biến động ngẫu nhiên về năng lượng của các photon tác động lên diode quang thu Dòng nhiễu lượng tử được mô tả bằng công thức chính xác trong các nghiên cứu về quang học, phản ánh ảnh hưởng của các hiện tượng ngẫu nhiên trong quá trình phát xạ và hấp thụ photon Hiểu rõ dòng nhiễu lượng tử giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang học, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như truyền thông quang và cảm biến quang.

Khi chưa có công suất quang đưa tới photodetector, vẫn có một dòng điện nhỏ chảy trong mạch, gọi là dòng tối Dòng tối này gây ra nhiễu toàn hệ thống và gây ra các dao động ngẫu nhiên Nhiễu do dòng tối xác định mức độ nhiễu nền và ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo quang.

Id: dòng tối e: điện tích của electron

Chương 1 đã trình bày các nội dung tổng quát về lịch sử phát triển, nguyên lý truyền dẫn, các thành phần, thiết bị trong hệ thống thông tin sợi quang Qua đó cũng thấy được ưu, nhược điểm của phương pháp truyền dẫn cáp sợi quang so với các phương pháp khác Trong phạm vi đồ án sẽ nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ được trình bày ở chương 2

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

Sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet, đã thúc đẩy nhu cầu tăng băng thông một cách mạnh mẽ Trong bối cảnh IP ngày càng trở thành nền tảng chung cho các dịch vụ tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn cần phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn phù hợp cho truyền thoại nhưng không tối ưu trong việc khai thác hiệu quả băng thông.

Hình 2.1 Tương quan giữa nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông trong viễn thông tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đang tập trung vào ba phương thức truyền dẫn chính Việc nâng cao băng thông là yếu tố then chốt giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và đáp ứng kịp thời các yêu cầu về dữ liệu ngày càng lớn Các giải pháp này không chỉ giúp mở rộng quy mô mạng lưới mà còn tối ưu hóa hiệu suất truyền tải thông tin.

Truyền dẫn ghép phân không gian SDM là phương pháp đơn giản và không yêu cầu phát triển công nghệ mới, chỉ cần tăng số lượng sợi quang trên tuyến truyền dẫn Tốc độ truyền dẫn vẫn được giữ nguyên, phù hợp với các tuyến có băng thông cao và sẵn lượng sợi quang chưa sử dụng SDM là lựa chọn tối ưu khi cần mở rộng băng thông trên các tuyến truyền dẫn có khoảng cách phù hợp.

Trong thiết kế hệ thống truyền dẫn, không nên sử dụng các bộ lặp hoặc bộ khuếch đại nếu không thực sự cần thiết Khi khoảng cách truyền xa, chi phí sẽ tăng đáng kể vì mỗi hệ thống lắp đặt thêm đều yêu cầu các bộ lặp hoặc bộ khuếch đại tương tự như hệ thống ban đầu Việc hạn chế sử dụng các thiết bị này không những giúp giảm chi phí mà còn tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền dẫn.

Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM giúp tăng tốc độ truyền dẫn trên sợi quang Khi sử dụng phương thức truyền thống, cần xem xét khả năng xử lý tốc độ bit của các linh kiện điện tử, hiện nay phù hợp với các dòng tín hiệu 2.5Gbps hoặc 10Gbps, chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu băng thông Trong phòng thí nghiệm, các linh kiện đã hoạt động ở tốc độ 40Gbps hoặc 80Gbps, và để đạt tốc độ cao hơn, phương pháp phân kênh thời gian trong miền quang (OTDM) đang được triển khai tích cực Kết quả thử nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s, tuy nhiên truyền trên sợi quang gặp phải các vấn đề nghiêm trọng như tán sắc thể, tán sắc phân cực và phi tuyến tính, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.

Công nghệ truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang, mở rộng khả năng truyền dữ liệu mà không cần tăng tốc độ trên mỗi bước sóng Công nghệ WDM là giải pháp tối ưu trong điều kiện công nghệ hiện tại, giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử ở mức 10Gbps để phù hợp với sợi quang hiện đại Thay vì nâng cao tốc độ trên từng bước sóng, WDM tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng từ 1260 nm đến 1675 nm để tăng băng thông Hệ thống WDM ban đầu hoạt động trong các băng tần của khoảng bước sóng này, chia thành nhiều băng sóng khác nhau để truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn.

C, do EDFA hoạt động ở băng này Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng

30 đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần.[2]

Ghép kênh theo bước sóng WDM là công nghệ cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên một sợi quang Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để tối ưu hóa việc truyền dẫn Tại đầu thu, tín hiệu tổ hợp này được phân giải (tách kênh) để khôi phục tín hiệu gốc, sau đó đưa vào các thiết bị đầu cuối Công nghệ WDM giúp tăng dung lượng truyền tải dữ liệu qua một sợi quang hiệu quả và tiết kiệm chi phí hạ tầng mạng.

Sơ đồ khối hệ thống chức năng hệ thống WDM được biểu diễn trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang chủ yếu là laser do khả năng phát ra tín hiệu có độ rộng phổ hẹp và ổn định về bước sóng Yêu cầu này giúp đảm bảo tín hiệu truyền tải qua nhiều kênh khác nhau không bị nhiễu chéo và duy trì hiệu suất tối ưu của hệ thống Việc sử dụng laser có bước sóng ổn định là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu qua mạng quang WDM.

Ghép hoặc tách tín hiệu WDM là quá trình kết hợp nhiều nguồn sáng khác nhau thành một luồng ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi quang hoặc phân chia luồng ánh sáng này thành các tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra Hiện nay, các bộ tách/ghép tín hiệu WDM được sử dụng phổ biến bao gồm bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ và linh kiện quang tổ hợp AWG Khi thiết lập hệ thống tách/ghép kênh WDM, cần xem xét các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của từng kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm và suy hao xen giữa các kênh, mức độ đồng đều của các kênh cũng như các tiêu chuẩn về suy hao phản xạ Bragg.

Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến và vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi yếu tố này đều phụ thuộc vào các đặc điểm kỹ thuật và điều kiện hoạt động của hệ thống sợi quang, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng truyền tải dữ liệu Hiểu rõ các yếu tố này là quan trọng để tối ưu hóa khả năng truyền dẫn của hệ thống sợi quang, đảm bảo hiệu quả trong các ứng dụng viễn thông và công nghiệp.

31 nhiều vào yếu tố sợi quang

Hệ thống WDM hiện nay chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA để tăng cường tín hiệu truyền dẫn Các chế độ khuếch đại chính gồm có khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại, phù hợp với các yêu cầu khác nhau của hệ thống Khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA trong hệ thống WDM, cần đảm bảo các tiêu chuẩn về hiệu suất và ổn định để tối ưu hóa chất lượng truyền tải.

+ Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB)

+ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

Hệ thống có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh các hệ số khuếch đại phù hợp Điều này giúp đảm bảo đặc tuyến khuếch đại luôn ổn định và bằng phẳng cho tất cả các kênh truyền dẫn Nhờ đó, chất lượng tín hiệu được duy trì tối ưu và tránh hiện tượng méo lỗi do quá mức công suất Việc tự động điều chỉnh này nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống trong các điều kiện đầu vào khác nhau.

Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang như PIN và ADP, giống như trong hệ thống thông tin quang truyền thống Các thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và phân tích các tín hiệu ánh sáng, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác và ổn định Việc lựa chọn thiết bị phù hợp như PIN hoặc ADP giúp tối ưu hóa hiệu suất thu tín hiệu và giảm thiểu mất mát trong hệ thống quang học.

2.1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 2.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM cơ bản gồm hai loại chính: hệ thống đơn hướng và hệ thống song hướng Hệ thống đơn hướng chỉ truyền dữ liệu theo một chiều trên sợi quang, do đó cần hai sợi quang để truyền thông tin giữa hai điểm Trong khi đó, hệ thống WDM song hướng truyền hai chiều trên một sợi quang, giúp giảm thiểu chi phí và đơn giản hoá hệ thống truyền dẫn.

So sánh hai hệ thống ta thấy:

Các linh kiện trong hệ thống WDM

Hệ thống WDM gồm các thành phần chính như nguồn quang, thiết bị ghép/tách kênh quang (MUX/DEMUX), sợi quang, bộ khuếch đại quang (EDFA), chuyển mạch quang và các bộ lọc nhằm tối ưu hóa việc truyền dữ liệu quang học Các thành phần này phối hợp tạo nên một hệ thống liên kết dữ liệu hiệu quả, có khả năng truyền nhiều dữ liệu qua cùng một sợi quang nhờ công nghệ WDM Việc sử dụng các thiết bị như bộ khuếch đại quang và bộ lọc giúp nâng cao chất lượng tín hiệu và mở rộng phạm vi truyền dẫn của hệ thống.

Nguồn phát sử dụng trong các hệ thống WDM thường là laser như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường

Bộ thu quang học có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, đòi hỏi phải hoàn toàn tương thích với bộ phát về bước sóng và các đặc tính điều chế Trong các hệ thống WDM, hai loại photodiode phổ biến được sử dụng là photodiode p-i-n và photodiode APD Photodiode p-i-n hoạt động với nguồn công suất thấp hơn (5V) nhưng có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn so với APD, trong khi đó, photodiode APD phù hợp với các ứng dụng cự ly lớn Các tham số cơ bản để đánh giá hiệu suất của bộ thu gồm đáp ứng phổ, độ nhạy, băng tần phổ, điện, dải động và nhiễu, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.2.3 Bộ ghép/tách kênh bước sóng

Bộ MUX/DEMUX thực hiện ghép tách các tín hiệu ở nhiều bước sóng khác nhau

Bộ MUX/DEMUX thường được mô tả theo các thông số sau:

Suy hao xen IL là tỷ số của công suất tín hiệu ngõ ra so với ngõ vào tại một bước sóng cụ thể, phản ánh mức độ suy hao do bộ MUX/DEMUX gây ra trong hệ thống quang học Chỉ số này đo lường mức suy giảm tín hiệu khi đi qua các thiết bị kết nối, giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống truyền dẫn quang Suy hao xen càng thấp, tín hiệu truyền đi càng tốt, đảm bảo chất lượng truyền tải dữ liệu trong các mạng quang hiện đại Việc kiểm tra và tối ưu suy hao xen IL đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và vận hành các hệ thống mạng quang để duy trì hiệu quả và độ tin cậy cao.

Số lượng kênh xử lý là chỉ số thể hiện số lượng kênh bước sóng tại đầu vào và đầu ra của bộ tách/ghép kênh, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá dung lượng của thiết bị Thông số này xác định khả năng xử lý dữ liệu của hệ thống truyền tải, giúp tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng quy mô mạng lưới Việc hiểu rõ số lượng kênh xử lý giúp người dùng lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu truyền tải thông tin, đảm bảo khả năng hoạt động hiệu quả và ổn định.

- Bước sóng trung tâm: các bước sóng trung tâm phải tuân theo chuẩn của ITU-T để đảm bảo vấn đề tương thích

Băng thông là độ rộng phổ của kênh bước sóng trên thực tế, xác định khả năng truyền tải dữ liệu của hệ thống truyền thông Thường thì băng thông được tính dựa trên độ rộng của hàm truyền đạt công suất tại các mức cách đỉnh 1dB, 3dB hoặc 20dB, giúp đánh giá hiệu suất và hiệu quả của kênh truyền Việc xác định chính xác băng thông là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa tốc độ và chất lượng truyền dữ liệu trong các hệ thống viễn thông.

Giá trị lớn nhất của suy hao xen được xác định dựa trên khoảng cách nhỏ nhất giữa đỉnh của hàm truyền công suất của một kênh bước sóng nhất định và mức IL = 0 dB Đây là chỉ số quan trọng trong phân tích mức suy hao trong hệ thống truyền dẫn, giúp đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của kênh truyền sóng Hiểu rõ về giá trị suy hao xen còn hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế mạng, đảm bảo truyền tải tín hiệu với chất lượng cao nhất có thể.

Độ chênh lệch suy hao xen vào giữa các kênh được tính bằng hiệu của giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của suy hao xen vào giữa các kênh bước sóng Thông số này quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình truyền dẫn trong các hệ thống quang học, giúp tối ưu hóa hoạt động của mạng và giảm thiểu mất mát tín hiệu Việc kiểm soát và giảm thiểu độ chênh lệch này là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng truyền dữ liệu qua các kênh quang.

Sợi quang là thành phần thiết yếu của mạng quang, trong đó sợi đơn mode chuẩn G.652 có bước sóng tán sắc bằng không tại 1310nm, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Hiện nay, sợi quang G.652 vẫn được sử dụng phổ biến để làm môi trường truyền dẫn nhờ vào đặc tính ổn định và khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả Đặc biệt, tại bước sóng 1550nm, sợi quang G.652 có giá trị tán sắc khoảng 18 ps/km.nm, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu dài hạn và tốc độ cao.

Sợi tán sắc dịch chuyển không (NZ-DSF - G.655) có giá trị tán sắc nhỏ tại vùng cửa sổ 1550nm, giúp hạn chế các ảnh hưởng phi tuyến như hiệu ứng FWM trong các hệ thống WDM Mặc dù sợi DSF (G.653) không được khuyến nghị sử dụng cho WDM do hiệu ứng FWM, sợi NZ-DSF với lượng tán sắc từ hơn 3 ps/km.nm tại 1530nm giảm xuống còn dưới 0,7 ps/km.nm tại 1560nm, đủ khả năng loại bỏ hiệu ứng FWM và truyền được các kênh tốc độ ít nhất 2,5 Gbit/s qua khoảng cách 1000km Các phép đánh giá gần đây cho thấy, dù không tương thích hoàn toàn với cửa sổ EDFA tại 1550nm, loại sợi này vẫn phù hợp cho các hệ thống WDM tốc độ trung bình nếu sử dụng các thiết bị bù tán sắc hoặc sợi bù tán sắc khác, đảm bảo chất lượng tín hiệu qua các quãng đường dài.

Bộ lọc là thiết bị cho phép một kênh bước sóng duy nhất đi qua, đồng thời khóa mọi kênh bước sóng khác để đảm bảo truyền tải dữ liệu chính xác Nguyên lý hoạt động của bộ lọc dựa trên sự giao thoa giữa các tín hiệu, trong đó bước sóng hoạt động sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua bộ lọc, còn các kênh bước sóng không phù hợp sẽ bị triệt tiêu về pha, giúp tăng cường khả năng chọn lọc của hệ thống truyền dẫn.

Yêu cầu đối với bộ lặp:

- Bộ lọc phải có giá trị suy hao xen IL thấp

- Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cự của tín hiệu đưa vào

Dải thông hoạt động của bộ lọc cần không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ của môi trường để đảm bảo hiệu quả liên tục Bộ lọc phải duy trì hoạt động trong khoảng nhiệt độ thường là khoảng 100°C, đồng thời độ dịch dải của dải thông phải không vượt quá khoảng cách giữa hai kênh bước sóng hoạt động gần nhất Điều này giúp đảm bảo độ chính xác và ổn định của bộ lọc trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Trong hệ thống WDM, việc ghép nối nhiều bộ lọc liên tiếp khiến băng thông hoạt động bị thu hẹp lại Để giảm thiểu ảnh hưởng này, các bộ lọc cần có hàm truyền đạt trong khoảng bước sóng hoạt động phải bằng phẳng, đảm bảo truyền tải tín hiệu ổn định và hiệu quả hơn.

- Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao thoa ở phần

36 vạt của hai bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu giữa các kênh

Giảm chi phí sản xuất phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, mang lại hai lựa chọn chính: sử dụng công nghệ ống dẫn sóng để sản xuất vi mạch tích hợp quang hoặc phát triển các thiết bị thuần túy quang Mặc dù công nghệ thiết bị quang thuần túy gặp khó khăn trong tích hợp, nhưng nó có ưu điểm không phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang và dễ dàng ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị.

Các thông số của bộ lọc:

- Bước sóng trung tâm: phải là bước sóng tuân theo tiêu chuẩn ITU-T

Độ rộng băng thông (Pass Bandwidth) là khoảng cách của hàm truyền đạt tại mức suy hao xen cách đỉnh 0.5 dB, thể hiện khả năng truyền tải của hệ thống trong phạm vi tần số nhất định Trong một số trường hợp, người ta còn xét băng thông đi qua các mức suy hao 1 dB hoặc 3 dB để đánh giá chi tiết hơn về hiệu suất của hệ thống Tính năng này đặc biệt quan trọng vì laser không lý tưởng chỉ phát tín hiệu có bước sóng dao động trong phạm vi nhất định, phù hợp với chuẩn ITU-T về băng tần trung tâm.

Độ rộng băng chặn (Stop Bandwidth) đề cập đến khoảng rộng của hàm truyền đạt tại mức suy hao xen cách đỉnh 20 dB, giúp xác định khả năng hạn chế nhiễu xuyên kênh Một dải chặn của bộ lọc càng nhỏ càng tốt để giảm thiểu hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kênh, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

- Ðộ cách li (Isolation): để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễu sang các kênh bước sóng lân cận

- Ðộ gợn sóng (Ripple): là độ chênh lệch đỉnh-đỉnh trong phạm vi một kênh bước sóng

Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống WDM

Xuyên kênh là vấn đề quan trọng hàng đầu trong thiết kế hệ thống WDM, gây giảm hiệu suất của hệ thống do sự chuyển đổi công suất giữa các kênh Hiện tượng này xảy ra do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, được gọi là xuyên kênh phi tuyến, phụ thuộc vào tính truyền dẫn phi tuyến của kênh thông tin Ngoài ra, xuyên kênh còn xuất hiện ngay cả trong các hệ thống tuyến tính hoàn toàn, do tính không hoàn hảo của các phần tử WDM như bộ lọc quang, bộ giải ghép kênh và bộ chuyển mạch Chính vì vậy, kiểm soát và giảm thiểu xuyên kênh là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống WDM để đảm bảo hiệu quả và ổn định của truyền dẫn quang quang.

42 có thể do một số nguyên nhân gây ra, nhưng có thể chia ra làm hai loại chính sau:

Xuyên kênh tuyến tính có thể chia làm 2 loại tùy theo nguồn gốc của nó

Các bộ lọc quang và bộ tách kênh thường gây rò rỉ một phần công suất tín hiệu sang các kênh lân cận, xen vào quá trình tách sóng Xuyên kênh không đồng nhất bước sóng, còn gọi là xuyên kênh ngoại băng, ít ảnh hưởng hơn so với xuyên kênh đồng kênh (trong băng), đặc biệt khi định tuyến tín hiệu WDM từ nhiều nút mạng.

- Xuyên kênh gây ra do bộ lọc

Trong hệ thống truyền thông sử dụng bộ lọc quang có thể điều chỉnh để chọn ra một kênh trong tổng số N kênh, khả năng phân biệt và lựa chọn kênh mong muốn đóng vai trò quan trọng Khi bộ lọc quang cho phép qua kênh thứ m, công suất quang tới bộ tách sóng phụ thuộc vào mức độ truyền qua của bộ lọc, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu Việc điều chỉnh bộ lọc quang chính là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng và ổn định của tín hiệu trong hệ thống quang học đa kênh.

Trong hệ thống truyền dẫn, P_m là công suất của kênh thứ m và T_{mn} là hệ số truyền dẫn của bộ lọc cho kênh n khi kênh m được chọn Xuyên kênh xảy ra khi T_{mn} ≠ 0 với n ≠ m, cho thấy đây là kênh ngoài băng vì nó phụ thuộc vào các tín hiệu nằm ngoài dải phổ mà kênh được tách ra để chiếm giữ Tính không kết hợp của xuyên kênh được thể hiện trong biểu thức vì nó chỉ phụ thuộc vào công suất tín hiệu trong các kênh lân cận Để đánh giá tác động của xuyên kênh lên chức năng hệ thống, cần xem xét sự đền bù công suất khi tăng công suất tại bộ thu nhằm hạn chế ảnh hưởng của xuyên kênh Công suất quang tới được phát ra, tương ứng với công suất quang, được xác định dựa trên các yếu tố này nhằm đảm bảo hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu nhiễu xuyên kênh.

Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu công thức mô tả dòng điện I dựa trên các tham số như R_m, P_m, và i, cùng với tổng các dòng điện từ các kênh khác Công thức chính là I = R_m P_m + i = N Σ i = n ≠ m R_n T_{mn} P_n = I_{ch} + I_x (2.2) Tham số R_m được xác định bởi công thức R_m = η_m e / h v_m, trong đó η_m thể hiện hiệu suất lượng tử của bộ tách sóng quang tại kênh thứ m, phụ thuộc vào tần số quang v_m và có thể khác nhau đối với từng kênh Điều này phản ánh rõ vai trò quan trọng của hiệu suất lượng tử trong quá trình truyền tín hiệu quang và ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành của hệ thống.

Trong biểu thức (2.2), thành phần I x thể hiện xuyên kênh thêm vào dòng I của bộ thu, với giá trị phụ thuộc vào dạng bit Giá trị của thành phần này đạt cực đại khi tất cả các kênh đều mang bit “1”, phản ánh trường hợp xấu nhất về khả năng xuyên kênh.

Phương pháp đơn giản để tính mức mất mát công suất xuyên kênh dựa trên độ khép hình mắt, trong đó độ khép lớn nhất xảy ra khi dòng Iₓ đạt cực đại trong trường hợp xấu nhất Thực tế, dòng Iₓ tăng để duy trì chất lượng hệ thống truyền dẫn Khi Iₓ tăng theo hệ số δx, dòng đỉnh tương ứng với đỉnh của hình mắt cũng tăng theo cùng hệ số, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền dẫn dữ liệu.

Trong bài viết này, dòng ngưỡng quyết định được thiết lập tại I_D = I_1/2, phản ánh ngưỡng quan trọng trong quá trình hoạt động của mạch Độ mở hình mắt từ I_D tới mức đỉnh cần được giữ nguyên tại giá trị ban đầu của nó, là I_ch, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống Các yếu tố này đóng vai trò then chốt trong việc xác định các đặc tính hoạt động của mạch và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể Việc duy trì độ mở hình mắt tại các mức này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và đảm bảo hệ thống hoạt động một cách chính xác, hiệu quả.

(2.4) δ x là sự mất mát công suất đối với kênh thứ m Sử dụng I x và từ I ch biểu thức (2.5) thì δ x có thể tính được theo dB như sau: δ x = 10log ( 1+ i = N  i = n≠mR n T mn P n

Các công suất tương ứng với các giá trị trạng thái mở của các kênh đều giả định bằng nhau, giúp đơn giản hóa phân tích Khi công suất đỉnh của tất cả các kênh là giống nhau, thiệt thòi công suất do xuyên kênh trở nên không phụ thuộc vào công suất, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống Ngoài ra, nếu đáp ứng bộ tách sóng của tất cả các kênh đều giống nhau (Rm ≈ R n ), thì độ dịch δ x xấp xỉ bằng công thức δ x = 10log 10 (1 + X), giúp dự đoán chính xác hơn các đặc tính truyền tín hiệu trong hệ thống.

Với X = i = N  i = n≠mTmn lượng kênh ngoài băng vì nó biểu thị một phần công suất bị rò vào một kênh nào đó từ những kênh khác Giá trị X phụ thuộc vào các đặc tính truyền dẫn của bộ lọc quang xác định Đối với bộ lọc FP, có thể đạt được X trong dạng khép kín

Các phân tích trên về sự mất mát do xuyên kênh dựa vào độ khép của hình

BER (Bit Error Rate) là chỉ số đo lường tỷ lệ lỗi bit trong truyền tải dữ liệu, phản ánh hiệu quả của hệ thống truyền thông Người ta có thể biểu diễn công thức BER dựa trên biến ngẫu nhiên Ix trong phương trình (2.8), qua đó xác định chính xác mức độ lỗi trong quá trình truyền dữ liệu Đền bù công suất xuyên âm δx được tính bằng cách xác định mức tăng cần thiết của dòng Iₙh nhằm duy trì giá trị BER đã định, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền thông và đảm bảo chất lượng dịch vụ.

Xuyên kênh trong băng do WGR là kết quả của quá trình lọc không hoàn toàn của bộ định tuyến WDM, khiến các tín hiệu khác bước sóng có thể gây nhiễu lẫn nhau Trong bộ định tuyến N×N, có N² kết nối sử dụng N bước sóng, trong đó N-1 tín hiệu mang cùng bước sóng λm có thể bị nhiễu lẫn do sự chồng lấn giữa các đỉnh truyền dẫn của WGR Hiện tượng xuyên kênh xảy ra khi các tín hiệu mang cùng bước sóng xuất phát từ quá trình lọc không hoàn toàn của WGR, làm tổng trường quang trong hệ thống bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu nhiễu lẫn trong băng.

Trong hệ thống truyền dẫn quang học, tín hiệu mong muốn E_m với tần số góc ω_m = 2πc/λ_m đóng vai trò chính trong quá trình truyền dữ liệu Hiện tượng xuyên kênh trong băng thể hiện rõ qua phương trình (2.7), phản ánh tính chất kết hợp phức tạp của các kênh truyền Để đánh giá ảnh hưởng của xuyên kênh đến đặc tính hệ thống, người ta thường xem xét việc đền bù công suất, mặc dù dòng tại bộ thu I = R|E_m(t)|^2 bao gồm các thành phần giao thoa và phách gây ra bởi tính chất kết hợp của xuyên kênh Có thể phân biệt hai loại phách chính là phách tín hiệu – xuyên kênh có các thành phần EmEn và phách xuyên kênh – xuyên kênh gồm các thành phần E_k En với k,n khác m Thực tế, các thành phần phía sau thường không đáng kể và có thể bỏ qua, giúp đơn giản hóa phép tính dòng bộ thu, từ đó nâng cao hiệu quả phân tích hệ thống truyền dẫn quang học.

I(t) = RP m (t) + 2R i = N  i = n≠m P m (t)P n (t) cos[ ϕ m (t) - ϕ n (t)] (2.8) Với P n = |E n | 2 là công suất và là pha Thực tế P n

Tiêu đề	Thiết kế tuyến thông tin quang Hà Tĩnh Thanh Hóa ghép kênh theo bước sóng WDM
Tác giả	Lê Thị Thùy Linh
Người hướng dẫn	Th.S. Phạm Mạnh Toàn
Trường học	Trường đại học Vinh
Chuyên ngành	Kỹ thuật truyền thông và mạng
Thể loại	Đề án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Nghệ An

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	1,31 MB