Lý do chọn đề tài: Bối cảnh và xu hướng phát triển: Trong bối cảnh sự phát triển không ngừng của công nghệthông tin và viễn thông, hệ thống thông tin quang đã trở thành một trong những
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Hệ thống thông tin quang
Thông tin quang đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong viễn thông, truyền số liệu và truyền hình cáp, nhờ khả năng truyền tải dữ liệu nhanh, băng thông lớn và độ nhiễu thấp Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang, cũng như nguyên lý vận hành cơ bản của cáp sợi quang và các thiết bị liên quan Bên cạnh đó, bài viết phân tích ưu điểm và nhược điểm của cáp sợi quang, như khả năng truyền xa và miễn nhiễu với điện từ trường, đồng thời nêu rõ những thách thức về chi phí lắp đặt, bảo dưỡng và vận hành Cuối cùng, chúng ta khám phá các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ thông tin quang trong viễn thông, truyền hình cáp, mạng nội bộ và các ứng dụng công nghiệp, giáo dục, y tế để nhìn thấy tiềm năng và xu hướng phát triển của công nghệ này.
Thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã xuất hiện sớm trong quá trình phát triển của loài người khi con người ra dấu bằng tay để giao tiếp Giao tiếp bằng dấu hiệu tay là một dạng thông tin quang, bởi nó không thể được thể hiện trong bóng tối Ban ngày, mặt trời trở thành nguồn sáng cho hệ thống này; thông tin được truyền từ người gọi đến người nhận dựa vào sự biến thiên của ánh sáng mặt trời Mắt là thiết bị thu nhận thông điệp và bộ não chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu Phương thức truyền tin bằng ánh sáng này tương đối chậm, phạm vi lan truyền có giới hạn và tỉ lệ sai lệch cao.
Một hệ thống quang học có thể truyền tín hiệu ở khoảng cách xa bằng tín hiệu khói từ lửa Thông điệp được gửi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra và mẫu khói sau đó được nhận lại nhờ ánh sáng mặt trời ở phía thu Hệ thống này đòi hỏi một phương pháp mã hóa được thiết lập, để người gửi và người nhận có thể học và giải mã cùng nhau Điều này có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) được sử dụng trong các hệ thống số hiện đại.
Trải qua một thời gian dài kể từ khi con người dùng ánh sáng mặt trời và ngọn lửa để truyền thông, lịch sử thông tin quang đã trải qua những bước phát triển và hoàn thiện đáng chú ý Những mốc chính của hành trình này bao gồm từ hệ thống tín hiệu quang sơ dựa trên ánh sáng tự nhiên cho đến sự ra đời của sợi quang, laser và mạng cáp quang xuyên đại dương, tiếp theo là công nghệ quang học tự do và các hệ thống truyền thông quang hiện đại Mỗi bước đã mở rộng dung lượng, tăng tốc độ và nâng cao khoảng cách truyền tải dữ liệu trên toàn cầu, biến thông tin quang thành một phần thiết yếu của viễn thông hiện đại và mạng internet ngày nay.
Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới.
Vào năm 1790, Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) gồm một chuỗi các tháp với đèn báo hiệu trên đó Thời đó tin tức được truyền bằng tín hiệu quang của hệ thống này và có thể vượt quãng đường lên tới 200 km chỉ trong vòng 15 phút.
Vào năm 1854, John Tyndall, nhà vật lý học người Anh, đã thực hiện một thí nghiệm đáng chú ý nhằm chứng minh ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt, mở ra hiểu biết mới về tương tác của ánh sáng với các chất trong suốt và đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lịch sử quang học.
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.
Vào năm 1880, Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra hệ thống thông tin bằng ánh sáng mang tên photophone Ông dùng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng được điều chế bằng tiếng nói để mang tín hiệu đi, và ở máy thu, ánh sáng điều chế được chiếu vào tế bào quang dẫn (selen) biến đổi thành dòng điện trước khi hệ thống được hoàn tất bởi bộ thu điện thoại Mặc dù photophone hoạt động tốt hơn các hệ thống trước đó, nó chưa bao giờ đạt được thành công về mặt thương mại do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền.
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 thập niên 1950, Brian O'Brien, Harry Hopkins và Narinder Kapany đã nghiên cứu và phát triển sợi quang hai lớp, gồm lõi ở bên trong để truyền ánh sáng và lớp bọc ở quanh ngoài nhằm nhốt ánh sáng ở lõi Sợi quang này sau đó được phát triển thành fiberscope, một loại kính soi bằng sợi quang có khả năng truyền hình ảnh từ đầu sợi tới đầu sợi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần Nhờ tính uốn cong của fiberscope, ta có thể quan sát những khu vực mà mắt thường khó nhìn thấy Đến nay, hệ thống fiberscope vẫn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành y để nội soi bên trong cơ thể người.
Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép 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.
Vào năm 1966, Charles K Kao và George Hockham thuộc Phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh đã thực hiện nhiều thí nghiệm chứng minh rằng giảm tạp chất trong thủy tinh silica giúp giảm sự suy hao ánh sáng Họ cho rằng nếu sợi quang được chế tạo với độ tinh khiết cao, ánh sáng có thể được truyền đi xa hơn, thậm chí lên tới hàng kilômét.
Năm 1967: suy hao sợi quang được báo cáo là ~ 1000 dB/Km.
Năm1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao
< 20 dB/Km ở bước sóng = 633 nm.
Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao ~ 4 dB/Km.
Năm 1983: sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ.
Vào năm 1988, công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ truyền 10 Gbit/s trên quãng đường 80,1 km, sử dụng sợi quang dịch tán sắc và Laser hồi tiếp phân bố để tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
Hiện nay, sợi quang có suy hao ≤ 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 [01]
Sơ đồ khối tổng quát về hệ thống thông tin quang
Tín hiệu vào Tín hiệu ra
Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang [02]
Trong mạng truyền thông quang, sợi quang đóng vai trò là kênh truyền tải thông tin chủ chốt, chịu trách nhiệm truyền tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu một cách trung thực và ít bị méo dạng tín hiệu Vai trò của kênh truyền thông là bảo toàn đặc tính tín hiệu, giảm suy hao và nhiễu, đồng thời duy trì cường độ và hình dạng tín hiệu quang ở mức phù hợp với yêu cầu của hệ thống Việc tối ưu hóa sợi quang và toàn bộ cấu trúc liên quan giúp đảm bảo chất lượng liên lạc cao, giảm sai lệch dữ liệu và nâng cao hiệu suất truyền dẫn.
Kênh truyền dẫn quang là thành phần cốt lõi của các hệ thống thông tin quang, bởi sợi quang có khả năng truyền ánh sáng với mức suy hao thấp Điều này cho phép các hệ thống truyền thông quang tạo đường truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả, mở rộng khoảng cách kết nối và tăng băng thông nhờ đặc tính truyền tín hiệu quang của sợi quang.
Bộ phát quang đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi quang để truyền dẫn Cấu hình cơ bản của nó gồm nguồn quang, bộ điều chế và bộ ghép nối các sợi quang Tín hiệu quang được phát ra bằng cách điều chế sóng mang quang, giúp dữ liệu được truyền qua mạng quang một cách hiệu quả.
Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát quang [02]
- Bộ thu quang: chuyển đổi tín hiệu quang thu đựoc tại đầu ra của tuyến sợi quang thành tín hiệu điện Bao gồm:
Tín hiệu quang vào Tín hiệu điện ra
Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ thu quang [02]
1.2.1 Bộ phát quang EO (Electrical to Optical converter)
1.2.1.1 Sơ đồ khối và chức năng
Nguồn quang Bộ điều chế Bộ ghép nối quang
Bộ ghép nối quang Bộ tách sóng quang
Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ phát quang EO [02]
Bộ phát quang là thành phần thiết essential của hệ thống truyền tải quang, có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền qua sợi quang Thiết bị này đảm bảo tín hiệu quang ổn định và đồng nhất, đồng thời tích hợp với các công nghệ truyền tải quang khác trong toàn hệ thống Nhờ đó, bộ phát quang đảm bảo truyền tải tín hiệu quang chính xác, ổn định và hiệu quả trên mạng truyền tải quang.
Sợi quang là một dây dẫn dạng sợi mảnh được làm chủ yếu từ silica (thủy tinh) hoặc nhựa polymer, có nhiệm vụ truyền tín hiệu ánh sáng từ điểm này sang điểm khác Trong sợi quang, tín hiệu truyền là ánh sáng mang dữ liệu, âm thanh, hình ảnh và tín hiệu số, thay vì tín hiệu điện như trong dây đồng Nhờ đặc tính cách ly điện và khả năng truyền qua khoảng cách dài với tổn hao thấp, sợi quang được ứng dụng rộng rãi trong mạng cáp quang và các hệ thống truyền thông hiện đại.
– Ống dẫn sóng điện môi hình trụ tròn đóng vai trò kênh truyền dẫn Bao gồm: + Lõi (n1) và vỏ (n2;d = 125 um), chế tạo từ vật liệu trong suốt.
+ Lớp phủ bảo vệ (vỏ bọc sơ cấp) d = 250 um
+ Vật liệu chế tạo sợi: SiO2 (lõi SiO2 pha Ge, vỏ SiO2/SiO2 pha P) [02]
Hình 1.5 Cấu trúc của sợi quang
- Nguyên lý truyền tín hiệu quang: phản xạ nội toàn phần: n1 > n2
- Điều kiện phản xạ toàn phần được xác định bởi: sin ( θ c ) =n2 n1 θc: góc tới hạn n 1 : chiết suất lõi n 2 : chiết suất vỏ
- Tham số truyền dẫn đặc trưng.
- Suy hao giới hạn khoảng cách truyền dẫn.
- Các hiệu ứng phi tuyến làm méo tín hiệu và giới hạn hiệu năng hệ thống.
- Tán sắc giới hạn dung lượng truyền dẫn Độ tán sắc tổng của tuyến sợi quang được xác định bởi:
�:hệ số tán sắc của sợi quang
L: chiều dài tuyến sợi quang (km)
D total : tổng tán sắc trên toàn tuyến (ps/nm)
Công thức tính suy hao truyền dẫn sợi quang:
L f : tổng suy hao truyền dẫn (dB) α: suy hao sợi quang (dB/km) d: chiều dài sợi quang (km)
Công suất thu tại đầu thu có thể ước lượng theo:
Lf: suy hao truyền dẫn
1.2.3 Bộ thu quang OE (Optical-to-Electrical converter)
1.2.3.1 Sơ đồ khối, chức năng và các tham số cơ bản
Trong sơ đồ khối của hệ thống, bộ thu quang (O/E) có chức năng biến đổi tín hiệu ánh sáng (AS) thành tín hiệu điện ở dạng tương tự hoặc số, sau đó đưa tín hiệu điện này vào thiết bị phát.
Hình 1.6 Sơ đồ đối bộ thu quang OE
- Nhận tín hiệu ánh sáng (Optical Signal) từ sợi quang.
- Chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện (Electrical Signal) tương ứng.
- Khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu điện để phù hợp với thiết bị xử lý hoặc thiết bị phát tiếp theo.
- Đảm bảo chất lượng tín hiệu: giảm nhiễu, duy trì biên độ và dạng sóng chuẩn [02]
Ưu và nhược điểm
Với suy hao thấp, cáp quang cho phép khoảng cách truyền dữ liệu giữa các nút mạng dài hơn đáng kể, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng liên kết So với cáp đồng trong cùng một mạng, giới hạn khoảng cách tối đa được khuyến cáo cho cáp đồng chỉ khoảng 100 mét, trong khi cáp quang có thể lên tới khoảng 2000 mét mà vẫn duy trì tín hiệu ổn định và tốc độ truyền dữ liệu cao.
Với dải thông rộng, sợi quang cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số có tốc độ cao, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và băng thông của mạng hiện đại Băng thông của sợi quang ngày càng lớn và hiện nay có thể lên tới hàng THz, tạo điều kiện cho truyền tải dữ liệu nhanh hơn, đồng thời hỗ trợ các dịch vụ mạng và ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn.
Bộ tách mangsóng Khuếch đại Bộ lọc Bộ giải điều chế
Trọng lượng nhẹ là ưu điểm nổi bật của cáp quang so với cáp đồng Một cáp quang có hai sợi quang nhẹ hơn khoảng 20% đến 50% so với cáp Category 5 có 4 đôi Nhờ trọng lượng nhẹ này, cáp quang cho phép lắp đặt dễ dàng hơn.
- Kích thước nhỏ Cápsợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc 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.
Tính bảo mật của sợi quang rất cao vì nó khó trích tín hiệu; nhờ không bức xạ năng lượng điện từ nên tín hiệu truyền qua sợi quang không thể bị lấy trộm bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và việc trích xuất thông tin ở dạng tín hiệu quang vẫn gặp nhiều thách thức.
- Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video [01]
Vấn đề biến đổi điện-quang là bước cốt lõi của hệ thống truyền dẫn quang Trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu này phải được biến đổi thành sóng ánh sáng bởi một bộ chuyển đổi điện-quang (ví dụ: laser hoặc LED và mạch điều chế) Quá trình chuyển đổi này mã hóa tín hiệu điện thành tín hiệu quang, cho phép truyền qua sợi quang với độ ổn định và hiệu suất cao, giảm suy hao và nhiễu Nhờ đó, công nghệ biến đổi điện-quang đóng vai trò thiết yếu trong liên kết dữ liệu bằng ánh sáng, từ phát tín hiệu cho đến khuếch đại và nhận diện tại đầu thu.
Trong viễn thông, sợi quang được làm từ thủy tinh nên dễ vỡ và có độ bền thấp Vì đường kính sợi nhỏ, quá trình hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng để đảm bảo liên kết quang học ổn định.
- Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.
Trong quá trình hàn nối sợi quang, hãy đặt các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể người Đồng thời tuyệt đối không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hoặc các khớp nối hở để ngăn ánh sáng truyền trực tiếp vào mắt Ánh sáng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không thể cảm nhận và không thể điều tiết nguồn sáng này, nên có thể gây hại cho mắt nếu tiếp xúc trực tiếp.
Nguyên lý hoạt động
- Hệ thống thông tin quang hoạt động dựa trên nguyên lý truyền tín hiệu bằng ánh sáng qua sợi quang, trong đó tín hiệu điện mang thông tin được chuyển đổi thành tín hiệu quang, truyền đi trong môi trường sợi quang, rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện tại đầu thu [03]
-Quá trình này gồm ba khối cơ bản: bộ phát quang – kênh truyền quang – bộ thu quang [03]
Nguyên lý hoạt động tổng quát được mô tả như sau:
Chức năng: Biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu ánh sáng tương ứng.
Thành phần: gồm mạch điều chế và nguồn quang (LED hoặc Laser Diode).
Nguyên lý:Tín hiệu điện đầu vào mang thông tin (âm thanh, dữ liệu, hình ảnh, v.v.) được đưa đến mạch điều chế, để điều khiển nguồn phát quang.
Nguồn phát quang sẽ phát ra chùm sáng có cường độ thay đổi theo dạng sóng của tín hiệu điện — là ánh sáng đã được điều chế.
Ánh sáng này được ghép vào sợi quang nhờ bộ ghép quang (Optical Coupler) để truyền đi xa [03]
- Kênh truyền – sợi quang (Optical Fiber Channel)
Chức năng: Dẫn truyền tín hiệu ánh sáng từ đầu phát đến đầu thu.
Nguyên lý:Ánh sáng lan truyền trong lõi sợi quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, khi chiết suất lõi n1n_1n1 lớn hơn chiết suất vỏ n2n_2n2
Trong quá trình truyền, tín hiệu quang chịu ảnh hưởng bởi suy hao (attenuation), tán sắc (dispersion) và hiệu ứng phi tuyến (nonlinear effects), gây méo và giảm cường độ ánh sáng.
Để khắc phục suy hao trên các tuyến dài của hệ truyền dẫn quang, người ta bố trí bộ khuếch đại quang như EDFA, SOA hoặc Raman ở các điểm thích hợp nhằm tăng công suất tín hiệu mà không cần chuyển đổi quang-điện-quang.
Chức năng: Thu và biến đổi tín hiệu quang trở lại dạng điện.
Nguyên lý:Ánh sáng từ sợi quang đi vào bộ tách sóng quang (Photodiode – PIN hoặc APD).
Khi photon chiếu vào, nó tạo ra các cặp electron – lỗ trống, tạo nên dòng điện quang (photocurrent) tỷ lệ với cường độ ánh sáng thu được.
Dòng điện này được khuếch đại và xử lý trong các mạch điện để khôi phục lại tín hiệu ban đầu (âm thanh, dữ liệu, hình ảnh…) [03]
Ứng dụng
Ứng dụng trong viễn thông (Telecommunication Networks)
- Sợi quang được dùng chủ yếu trong mạng truyền dẫn đường dài (long-haul backbone networks) và mạng trục quốc tế.
- Các tuyến cáp quang biển (submarine cables) kết nối các châu lục nhờ khả năng truyền dữ liệu hàng nghìn km với suy hao rất thấp.
- Các mạng quang WDM/DWDM (Wavelength Division Multiplexing) giúp tăng dung lượng lên hàng terabit mỗi giây.
- Sợi quang cũng là nền tảng của mạng 5G và Internet tốc độ cao, nơi yêu cầu băng thông cực lớn và độ trễ thấp [04]
Ứng dụng trong mạng truy nhập và đô thị (Access and Metro Networks)
Dùng trong mạng FTTx (Fiber To The x) như:
- FTTH (Fiber To The Home): kéo cáp quang đến từng hộ gia đình.
- Cáp quang đến tòa nhà FTTB (Fiber To Building), Cáp quang đến lề đường FTTC (Fiber To The Curb), Cáp quang đến văn phòng FTTO (Fiber To The Office).
- Giúp cung cấp Internet tốc độ gigabit, IPTV, VoIP và các dịch vụ số hội tụ (Triple Play).
Các mạng quang thụ động (PON) là công nghệ truy cập quang phổ biến trong truyền tải dữ liệu nội dung số, với các chuẩn nổi bật bao gồm GPON (Gigabit Passive Optical Network) cho tốc độ gigabit, EPON (Ethernet Passive Optical Network) dựa trên chuẩn Ethernet, và XG-PON (10 Gigabit Passive Optical Network) cho tốc độ lên tới 10 Gbps, được ứng dụng rộng rãi trong truy nhập dân dụng nhờ khả năng chia sẻ đường truyền quang giữa nhiều hộ gia đình, tối ưu chi phí triển khai và dễ bảo trì.
Ứng dụng trong mạng nội bộ
- Trong doanh nghiệp, trường đại học hoặc trung tâm dữ liệu, sợi quang dùng cho truyền dữ liệu tốc độ cao giữa các switch và server.
- OM3 (Optical Multimode 3) và OM4 (Optical Multimode 4): là các loại sợi quang đa mode được tối ưu cho truyền dẫn tốc độ cao.
- Cho phép truyền tốc độ từ 10 đến 100 Gbps (Gigabit per second – gigabit mỗi giây) trên khoảng cách vài trăm mét.
- Ưu điểm: giảm nhiễu điện từ (EMI – Electromagnetic Interference), tiết kiệm không gian và năng lượng so với cáp đồng [04]
Ứng dụng trong công nghiệp và điều khiển (Industrial & Automation
Truyền tín hiệu trong các môi trường công nghiệp khắc nghiệt như nhà máy điện, nhà máy hóa chất và khai thác dầu khí đòi hỏi các hệ thống truyền thông công nghiệp phải chịu nhiễu điện từ mạnh, nhiệt độ cao và nguy cơ cháy nổ Để đảm bảo độ tin cậy và an toàn, giải pháp truyền thông được thiết kế đặc thù, có khả năng chịu nhiễu, chịu nhiệt và tích hợp các biện pháp phòng cháy nổ Việc chọn công nghệ phù hợp, tuân thủ chuẩn và tối ưu hóa băng thông giúp truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.
- Sợi quang cách điện hoàn toàn, an toàn cho tín hiệu điều khiển và đo lường.
+ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu.
+ PLC (Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển logic lập trình được, dùng trong tự động hóa công nghiệp.
+ Sensor-based Monitoring: Hệ thống giám sát dựa trên cảm biến [04]
Ứng dụng trong cảm biến quang (Optical Fiber Sensors)
- Sợi quang có thể đóng vai trò cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, rung động, gia tốc, từ trường, nồng độ hóa chất
- Các hệ thống Cảm biến quang phân tán (Distributed Fiber Sensors) bao gồm: + Cảm biến âm học phân tán DAS (Distributed Acoustic Sensing)
+ Cảm biến nhiệt độ phân tán DTS (Distributed Temperature Sensing)
+ Cảm biến ứng suất phân tán DSS (Distributed Strain Sensing)
→ Dùng để giám sát đường ống dầu khí, cầu đường hoặc đường sắt.
→ Cảm biến quang có độ nhạy cao, an toàn, và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt [04]
Ứng dụng trong y học (Medical Applications)
- Sợi quang được dùng trong nội soi quang học (fiber endoscopy), cho phép quan sát bên trong cơ thể qua ống mềm nhỏ.
- Dùng truyền tia laser phẫu thuật, đo mức oxy máu (pulse oximetry), hoặc trong phân tích quang phổ sinh học.
- Giúp các thiết bị y tế trở nên nhỏ gọn, linh hoạt và chính xác hơn [04]
Ứng dụng trong quân sự và hàng không vũ trụ (Military & Aerospace)
- Dùng trong hệ thống dẫn đường (Navigation Systems), radar (Radio Detection and Ranging), sonar (Sound Navigation and Ranging), và truyền thông an toàn cao (Secure Communication Systems).
- Ưu điểm: miễn nhiễm với nhiễu điện từ (EMI – Electromagnetic Interference), không thể dò trộm tín hiệu, và trọng lượng nhẹ.
- NASA (National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan Hàng không và
Vũ trụ Hoa Kỳ) và quân đội Mỹ ứng dụng sợi quang trong tàu vũ trụ, máy bay, tàu ngầm và tên lửa điều khiển [04]
Ứng dụng trong phát thanh – truyền hình (Broadcast & Multimedia)
- Dùng truyền tín hiệu video số (HD/4K) từ studio đến đài phát, trung tâm phát sóng, hoặc các sự kiện trực tiếp.
- Sợi quang đảm bảo độ trễ cực thấp, độ trung thực cao, và băng thông lớn [04]
Xu hướng ứng dụng mới
- Truyền thông quang không dây (Optical Wireless Communication) gồm:
+ Li-Fi (Light Fidelity): truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication).
+ Truyền thông quang trong không gian tự do FSO (Free Space Optics): truyền dữ liệu bằng tia hồng ngoại hoặc tia laser qua không gian tự do.
+ Truyền thông lượng tử (Quantum Communication): sử dụng photon làm hạt mang tin để đảm bảo an toàn tuyệt đối.
Trong bối cảnh Smart Grids và IoT (Internet of Things – Internet vạn vật), sợi quang đóng vai trò xương sống truyền dẫn dữ liệu cho hệ thống đo đạc và điều khiển thông minh của thành phố kết nối, hay Smart City Việc ứng dụng công nghệ quang học giúp truyền tải nhanh chóng và an toàn thông tin từ các cảm biến và thiết bị tự động hóa đến trung tâm điều hành, từ đó tối ưu hóa hiệu quả vận hành lưới điện và các dịch vụ đô thị dựa trên IoT.
Kết luận chương 1
Trong chương 1, nhóm trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang, mô tả cấu trúc tổng quát và nguyên lý hoạt động của hệ thống, đồng thời nêu rõ các thành phần cơ bản như bộ phát quang, sợi quang và bộ thu quang Bên cạnh đó, chương cũng phân tích các ưu điểm vượt trội của truyền dẫn quang so với hệ thống truyền tín hiệu truyền thống và chỉ ra những hạn chế còn tồn tại trong quá trình truyền tín hiệu, từ đó cung cấp cái nhìn toàn diện về tiềm năng và thách thức của công nghệ thông tin quang.
Trong các hệ thống truyền dẫn hiện đại, sợi quang đóng vai trò nền tảng; tuy nhiên do hiện tượng suy hao và tán sắc, tín hiệu quang bị giảm chất lượng theo khoảng cách Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA, là giải pháp quan trọng nhằm mở rộng khoảng cách truyền dẫn và nâng cao hiệu quả của hệ thống.
BỘ KHUẾCH ĐẠI THÔNG TIN QUANG
Giới thiệu về bộ khuếch đại quang
Trong hệ thống truyền dẫn quang, tín hiệu ánh sáng bị suy hao khi đi qua sợi quang do tán xạ, hấp thụ và các yếu tố vật lý khác Để duy trì chất lượng tín hiệu trong suốt quá trình truyền tải, cần có bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier – OA) nhằm khuếch đại trực tiếp công suất tín hiệu quang mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu điện.
Sơ đồ tổng quát về bộ khuếch đại quang
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan về bộ khuếch đại quang [09]
→ Ý nghĩa các khối trong sơ đồ:
Optical Input Signal (Tín hiệu quang đầu vào):
- Là tín hiệu quang mang thông tin từ sợi quang truyền đến.
- Do bị suy hao trên đường truyền (vì hấp thụ, tán xạ, ), công suất tín hiệu này yếu đi.
- Mục tiêu của bộ khuếch đại là làm tăng công suất tín hiệu quang mà không cần chuyển sang dạng điện.
Fiber-to-Amplifier Couplers (Bộ chia/ghép quang vào/ra):
Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại với ánh sáng bơm từ nguồn pump vào cùng một sợi quang.
Ở đầu ra, tách tín hiệu quang đã khuếch đại khỏi ánh sáng bơm dư thừa.
Pump Source (Nguồn bơm quang) :
- Là nguồn laser công suất cao (thường hoạt động ở bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm).
- Cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt động.
- Có thể bơm theo nhiều hướng:
Forward pumping: cùng chiều với tín hiệu quang.
Bidirectional pumping: bơm hai chiều để tăng hiệu quả.
Active Medium (Môi trường hoạt động):
- Là phần chính trong bộ khuếch đại, thường là sợi quang pha tạp ion như Erbium (Er³⁺).
Khi được kích thích bởi nguồn bơm, các ion chuyển lên mức năng lượng cao Khi tín hiệu quang đi qua, các ion phát xạ kích thích làm tăng số lượng photon, từ đó tín hiệu quang được khuếch đại.
Amplified Optical Output (Tín hiệu quang đầu ra khuếch đại):
Là tín hiệu quang sau khi đi qua môi trường hoạt động và được khuếch đại công suất.
Giữ nguyên đặc tính quang học (bước sóng, pha, dạng sóng) nhưng công suất tăng lên đáng kể.
Cho phép tín hiệu truyền đi xa hơn trong tuyến quang mà không cần bộ tái tạo.
Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng diễn ra trong vùng tích cực (Active Medium) Mức độ khuếch đại phụ thuộc vào năng lượng do nguồn bơm bên ngoài cung cấp (Pump Source), vì vậy công suất bơm càng lớn thì tín hiệu quang được khuếch đại càng mạnh Nguồn bơm và tín hiệu quang được ghép vào nhau bằng bộ ghép quang từ sợi, đưa vào bộ khuếch đại để bắt đầu quá trình khuếch đại ánh sáng.
Trong hệ thống Fiber-to-Amplifier Couplers, tín hiệu quang được khuếch đại và phát ra dưới dạng tín hiệu quang đầu ra (Amplified Optical Output) Các nguồn bơm có đặc tính phụ thuộc vào loại bộ khuếch đại quang, tức là dựa trên cấu tạo của vùng tích cực (Active Medium), từ đó ảnh hưởng đến cường độ khuếch đại, tiêu thụ công suất và ngưỡng vận hành của hệ thống.
Phân loại
- Các loại bộ khuếch đại quang chính bao gồm:
Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA):
Đây là bộ khuếch đại quang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các tuyến thông tin quang đường dài và cáp quang biển.
EDFA sử dụng sợi quang đơn mode, có lõi được pha tạp nguyên tố đất hiếm erbium (erbium-doped fiber).
EDFA cung cấp độ lợi từ 20–40 dB và nhiễu thấp trong cửa sổ suy hao tối thiểu của sợi silica ở bước sóng 1550 nm, giúp tăng cường tín hiệu quang với hiệu suất cao Thiết bị có hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt dưới biển và thường được đóng gói trong module khuếch đại ngầm (Submarine Optical Amplifier Module) để tích hợp vào các hệ thống cáp quang dưới biển.
Hình 2.2 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA
Bộ khuếch đại bán dẫn quang (Semiconductor Optical Amplifier - SOA):
Cấu trúc tương tự như diode laser (LD), nhưng các mặt phản xạ được phủ lớp chống phản xạ (AR coating) để tránh phát xạ laser cưỡng bức.
SOA có thể được chế tạo để cung cấp độ lợi ở cửa sổ truyền dẫn 1300 nm hoặc
1550 nm, tuy nhiên độ lợi thấp hơn và nhiễu cao hơn so với EDFA.
SOA có công suất đầu ra bão hòa thấp.[08]
Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại SOA
Bộ khuếch đại sợi quang khác (Other Fiber Amplifiers):
Bộ khuếch đại sợi pha tạp Praseodymium (Pr³⁺): Được đề cập là sợi fluoride pha tạp đất hiếm để khuếch đại 1300 nm.
Bộ khuếch đại Raman sợi quang (Fiber Raman Amplifier) là hệ thống khuếch đại được thực hiện trực tiếp trong sợi truyền dẫn nhờ hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering), điển hình là trong sợi germanosilicate Khuếch đại này cho phép bơm từ xa (remotely pump) các EDFA được đặt giữa các chặng, giúp tối ưu hóa phân phối công suất và tăng cường tín hiệu quang trên toàn mạng.
Hình 2.4 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại Raman sợi quang
Nguyên lý hoạt động
- Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA là loại phổ biến nhất, dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích (Stimulated Emission).
Cấu tạo cơ bản của EDFA:
Cấu hình EDFA tối giản gồm một sợi pha tạp Erbium (erbium-doped fiber - EDF) được nối vào đường truyền tín hiệu quang và một nguồn ánh sáng bơm ở bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm Nguồn bơm này kích thích các ion Er³⁺ trong lõi sợi EDF để khuếch đại tín hiệu quang trên đường truyền.
Sợi EDF (erbium-doped fiber) thường là sợi quang đơn mode có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét Lõi của sợi được pha tạp erbium, một nguyên tố đất hiếm, cho phép hấp thụ ánh sáng ở một tần số và phát ra ánh sáng ở tần số khác Nhờ đặc tính này, sợi quang EDF được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ laser và hệ thống truyền dẫn quang, tối ưu cho quá trình chuyển đổi tín hiệu và phát xạ ở các tần số khác nhau.
EDFA có lợi thế về mức tăng cao, băng thông rộng, công suất đầu ra cao.
Ánh sáng bơm có thể truyền đồng chiều hoặc ngược chiều với tín hiệu.
Các bộ ghép và cách ly quang (WSC – Wavelength Selective Coupler, ISO – Isolator) nhằm ghép nguồn bơm vào đường truyền và ngăn phản xạ ngược.[08]
Hình 2.5 Cấu hình bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA) cơ bản với bơm và tín hiệu (a) đồng lan truyền và (b) phản lan truyền
Nguyên lý khuếch đại (phát xạ kích thích):
- Lõi sợi EDF được pha tạp nguyên tố đất hiếm erbium để hấp thụ ánh sáng ở một tần số và phát ra ánh sáng ở tần số khác.
- Năng lượng ánh sáng bơm (thường là 980 nm hoặc 1480 nm) được đưa vào để kích thích các ion Erbium (Er³⁺) lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi tín hiệu quang đi qua sợi quang dop Erbium (EDF), nó kích thích các ion Erbium ở trạng thái năng lượng cao phát xạ photon có cùng bước sóng, pha và hướng với tín hiệu ban đầu (phát xạ kích thích), từ đó khuếch đại tín hiệu quang Quá trình khuếch đại này dựa trên sự tương tác kích thích phát xạ, giúp tăng cường cường độ và chất lượng tín hiệu truyền qua sợi EDF nhờ đồng pha và đồng hướng giữa tín hiệu đầu vào và photon thoát ra từ các ion Erbium.
- Độ lợi (Gain) của bộ khuếch đại được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất tín hiệu đầu vào.
- Quá trình khuếch đại này được xác định bởi sơ đồ mức năng lượng của ion Er³⁺ và phổ hấp thụ/phát xạ của sợi pha tạp.[08]
Hình 2.6 Sơ đồ mức năng lượng Erbium
- Trong quá trình khuếch đại, các ion Erbium cũng có thể phát xạ tự phát
(spontaneous emission), tạo ra nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (Amplified Spontaneous Emission - ASE).
ASE là nguồn nhiễu chính trong hệ thống khuếch đại quang, gây nhiễu nền và làm giảm OSNR (tỷ số tín hiệu–trên–nhiễu) Nhiễu ASE ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất liên kết bằng cách giới hạn khoảng cách truyền dẫn và chất lượng dữ liệu truyền qua mạng quang Do đó, kiểm soát và giảm thiểu nhiễu ASE là yếu tố thiết kế quan trọng để tối ưu OSNR và mở rộng phạm vi truyền dẫn trong hệ thống khuếch đại quang.
Trong thiết kế hệ thống cáp quang biển, việc giảm nhiễu ASE và duy trì công suất khuếch đại ổn định là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất truyền dẫn Vì các bộ khuếch đại được đặt ngầm dưới đáy biển và không thể bảo trì thường xuyên, hệ thống phải được tối ưu để giảm nhiễu và cân bằng công suất khuếch đại, từ đó duy trì hiệu quả liên tục và độ tin cậy cao cho mạng cáp quang biển.
Các tham số kỹ thuật
Định nghĩa: Đây là tham số cơ bản nhất dùng để đo lường khả năng khuếch đại công suất của thiết bị Tham số này được xác định bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu quang ở đầu ra (Pout) và công suất tín hiệu quang ở đầu vào (Pin).
- Công thức tính toán: o u t in
�in: công suất tín hiệu quang đầu vào.
�out: công suất tín hiệu quang đầu ra.
���: độ lợi tính theo decibel (dB).
=>Độ lợi càng cao, tín hiệu được khuếch đại càng mạnh Tuy nhiên nếu quá lớn, có thể dẫn đến nhiễu và bão hòa [07] & [09]
2.5.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth-GB)
-Định nghĩa: Là khoảng bước sóng hoặc tần số mà trong đó bộ khuếch đại vẫn duy trì được độ lợi ổn định.
- Công thức tính toán: max min
λmax: bước sóng lớn nhất khuếch đại hiệu quả.
λmin: bước sóng nhỏ nhất khuếch đại hiệu quả.
=> Độ rộng băng càng lớn → bộ khuếch đại có thể hoạt động với nhiều kênh hơn(đặc biệt trong hệ thống WDM) [07]
2.5.3 Công suất bão hòa (Saturation Output Power)
-Định nghĩa: Là mức công suất đầu ra mà tại đó bộ khuếch đại không thể tăng thêm độ lợi nữa - tức là tín hiệu đạt ngưỡng “bão hòa”.
Công suất bão hòa là công suất quang đầu ra tại thời điểm độ lợi của bộ khuếch đại giảm 3 dB so với độ lợi ở tín hiệu nhỏ Đây là ngưỡng công suất tối đa mà bộ khuếch đại có thể xử lý mà không bị méo hay suy giảm chất lượng tín hiệu Đơn vị đo của công suất bão hòa là mW hoặc dBm.
� �� : Công suất quang đầu vào – là công suất tín hiệu quang đầu vào bộ khuếch đại để được khuếch đại (Đơn vị:mW hoặc dBm).
�(���): Độ lợi của bộ khuếch đại tại công suất vào tương ứng���, thể hiện mức tăng công suất mà bộ khuếch đại tạo ra cho tín hiệu quang [07]
2.5.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure-NF) [05] & [25]
-Định nghĩa: Hệ số nhiễu là tỷ số giữa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở ngõ vào so với SNR ở ngõ ra của bộ khuếch đại quang.
→Nó thể hiện mức độ suy giảm chất lượng tín hiệu do nhiễu được sinh ra hoặc khuếch đại thêm trong quá trình khuếch đại quang.
Pin: công suất tín hiệu quang đầu vào.
Pout: công suất tín hiệu quang đầu ra.
GdB: độ lợi tính theo decibel (dB).
=>Độ lợi càng cao, tín hiệu được khuếch đại càng mạnh Tuy nhiên nếu quá lớn, có thể dẫn đến nhiễu và bão hòa.
2.5.5 Công suất nhiễu ASE (Amplified Spontaneous Emission) [25]
- Định nghĩa: Nhiễu ASE (Amplified Spontaneous Emission) là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại trong bộ khuếch đại quang.
NF : hệ số phát xạ tự phát
��: Hệ số nhiễu – đại lượng đặc trưng cho mức suy giảm SNR.
:tần số quang (~193THz cho 1550nm)
Ưu và nhược điểm
Bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA, đã mang lại lợi ích đáng kể và đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng của viễn thông quang EDFA cung cấp sự kết hợp độc đáo các tính năng thiết yếu như khuếch đại tín hiệu sợi quang với hiệu suất cao, nhiễu thấp và khả năng đáp ứng dải quang rộng, từ đó tăng khoảng cách truyền dẫn, giảm tổn thất và tối ưu hóa mạng thông tin liên lạc sóng ánh sáng Nhờ EDFA, các hệ thống mạng quang hiện đại có thể vận hành với tốc độ cao hơn, độ tin cậy cao hơn và chi phí tối ưu, mở ra nhiều ứng dụng mới cho truyền dẫn quang trên nền tảng sợi và công nghệ liên lạc ánh sáng.
Đặc tính nổi bật của hệ thống là tốc độ truyền dữ liệu cao và khoảng cách truyền xa, cho phép đạt tốc độ lên tới hàng chục Gbps và mở rộng khoảng cách giữa các trạm lặp/truyền dẫn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng và mở rộng vùng phủ sóng cho người dùng ở khu vực xa.
Độ lợi cao (High Gain): Cung cấp mức tăng tín hiệu cao, thường đạt từ 20 đến 40 dB.
Băng thông rộng (Wide Bandwidth): Có khả năng khuếch đại đồng thời nhiều kênh trong hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing), giúp tăng dung lượng truyền dẫn.
Công suất đầu ra cao cho phép thiết bị cung cấp công suất quang đầu ra lớn, đảm bảo tín hiệu vẫn mạnh sau khoảng cách truyền dài Với công suất quang lớn, hệ thống mạng quang giảm thiểu suy hao tín hiệu trên quãng đường xa và duy trì chất lượng liên kết ổn định, từ đó tăng độ tin cậy và hiệu quả truyền tải.
Độ ồn thấp của hệ thống quang học được thể hiện bằng Noise Figure khoảng 4–6 dB, giúp duy trì chất lượng tín hiệu ở mức cao và vượt trội so với các bộ khuếch đại bán dẫn (SOA).
Đặc tính minh bạch của EDFA cho phép nó hoạt động mà không nhạy cảm với tốc độ bit và định dạng truyền dẫn, tức EDFA có khả năng hoạt động ổn định bất kể bit-rate hay chuẩn truyền dẫn Nhờ đó thiết kế hệ thống quang học trở nên đơn giản hơn và việc nâng cấp băng thông về sau có thể thực hiện mà không cần thay thế bộ khuếch đại, giúp tối ưu chi phí và tăng khả năng mở rộng của mạng.
Độ tin cậy cao: EDFA đề cao sự đơn giản, hứa hẹn độ tin cậy cao, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng cáp quang biển (submarine).
Động lực học chậm là nguyên lý thiết kế chủ đạo trong các hệ thống truyền thông, nơi động lực học độ lợi (gain dynamics) được giữ ở mức chậm để ngăn ngừa nhiễu xuyên ký hiệu (intersymbol interference), nhiễu xuyên kênh (interchannel cross talk) và biến dạng giao điều chế (intermodulation distortion) Việc kiểm soát động lực học chậm giúp cải thiện chất lượng tín hiệu, giảm méo và nhiễu, đồng thời tăng hiệu suất truyền tải và độ tin cậy của hệ thống.
Giảm chi phí là lợi ích nổi bật của sự phát triển EDFA, đặc biệt với loại bơm bằng diode, mang lại lợi thế kinh tế lớn bằng cách thay thế các bộ tái tạo tín hiệu điện tử đắt tiền và bị giới hạn [08] & [10].
- Mặc dù có nhiều ưu điểm, bộ khuếch đại quang vẫn tồn tại một số hạn chế trong thiết kế hệ thống cáp quang biển:
Trong hệ thống khuếch đại quang, tích lũy nhiễu xảy ra khi mỗi bộ khuếch đại bổ sung nhiễu vào tín hiệu và EDFA không định hình hay tái tạo tín hiệu mà khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu (ASE) Quá trình này khiến nhiễu tăng lên theo từng giai đoạn, làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và gây suy giảm chất lượng truyền dữ liệu trên các tuyến quang dài hoặc mạng quang yêu cầu băng thông cao.
Trong hệ thống WDM, độ lợi của EDFA không đồng nhất ở mọi bước sóng, dẫn tới biến đổi gain và méo công suất kênh sau nhiều lần khuếch đại Để khắc phục hiện tượng này và đảm bảo phân bố công suất trên các kênh được đồng đều, cần sử dụng bộ cân bằng độ lợi (Gain Flattening Filter – GFF) Việc áp dụng GFF giúp làm phẳng độ lợi theo từng bước sóng, cải thiện hiệu suất truyền tải và giảm méo tín hiệu trong mạng quang WDM.
Phức tạp trong xử lý mạng quang học xuất phát từ việc vẫn chưa có bộ nhớ quang học thực tế Hiện tại, bộ nhớ lưu tín hiệu ở dạng điện, trong khi tín hiệu quang cần được chuyển đổi sang điện để lưu trữ và xử lý, dẫn đến quy trình xử lý tín hiệu phức tạp hơn và gia tăng độ trễ trong mạng quang học.
Giới hạn công suất bão hòa (Saturation Power): Khi công suất đầu vào vượt ngưỡng, độ lợi của EDFA giảm, ảnh hưởng đến chất lượng khuếch đại.[08]
Ứng dụng
Bộ khuếch đại quang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang, đặc biệt ở những mạng yêu cầu khoảng cách truyền dẫn dài, băng thông lớn và độ tin cậy cao, phù hợp với đề tài hệ thống thông tin quang cáp quang biển Khai thác hiệu quả bộ khuếch đại quang giúp tăng cường chất lượng tín hiệu, giảm suy hao trên các tuyến cáp quang và tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu giữa các thành phố và vùng biển Vì vậy, bộ khuếch đại quang là thành phần thiết yếu cho hệ thống thông tin quang cáp quang biển.
Hệ thống cáp quang biển (Undersea Amplified Lightwave Systems):
Đây là một trong những lĩnh vực được cách mạng hóa bởi EDFA.
Ở môi trường dưới biển, EDFA thay thế các bộ tái tạo điện tử (electronic regenerators), tối ưu hoá quá trình khuếch đại và giảm chi phí vận hành cho hệ thống cáp quang Việc triển khai EDFA mang lại lợi ích kinh tế đáng kể bằng cách giảm nhu cầu bảo trì và nâng cao hiệu suất truyền tín hiệu Đồng thời, EDFA tăng độ tin cậy của hệ thống liên lạc dưới biển và kéo dài tuổi thọ toàn bộ mạng cáp quang bằng cách duy trì chất lượng tín hiệu ở mức ổn định.
Được sử dụng trong các hệ thống xuyên đại dương (transoceanic systems) với khoảng cách lên tới 9000 km.
Yêu cầu thiết kế khắt khe về độ tin cậy và kiến trúc đơn giản, độ ổn định quang học để đảm bảo hoạt động liên tục trong thời gian dài [08]
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống truyền thông quang học toàn phần dài 9000 km sử dụng bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) phân bố tuần hoàn
Hệ thống truyền dẫn WDM (Wavelength Division Multiplexing):
EDFA cho phép truyền nhiều bước sóng trên một sợi cáp (WDM), giúp tăng dung lượng hệ thống đáng kể mà không cần lắp đặt cáp mới.
Được sử dụng rộng rãi trong mạng trục đường dài, bao gồm cả cáp dưới biển.
→ Hỗ trợ mở rộng hệ thống mà không làm thay đổi cấu trúc sợi quang hiện hữu.
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn WDM
Hệ thống truyền tải trên mặt đất (Terrestrial Applications):
Được sử dụng trong các mạng trục mặt đất, nơi yêu cầu hiệu suất cao và khả năng truyền xa.
Các hệ thống này phải thích ứng với cơ sở hạ tầng sợi quang hiện có, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư mới [08]
Hệ thống không bộ lặp (Repeaterless Systems):
Đối với các hệ thống dưới 500 km, ví dụ kết nối qua biển, EDFA có thể được bơm từ xa để loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lặp dưới biển phức tạp và giảm chi phí triển khai Việc này giúp tăng hiệu suất truyền tín hiệu và đơn giản hóa cơ sở hạ tầng mạng quang biển.
Hình 2.9.Truyền dẫn không lặp lại sử dụng bộ tiền khuếch đại và hậu khuếch đại được bơm từ xa
Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifiers): Đặt ở đầu phát để tăng công suất tín hiệu, cho phép ngân sách suy hao lớn hơn.
Bộ tiền khuếch đại quang (Optical Pre-amplifiers): Đặt ở đầu thu để tăng độ nhạy (sensitivity) của máy thu quang, giúp nhận tín hiệu yếu hơn.
Trong mạng quang (Optical Networking), khuếch đại được đặt giữa các tuyến truyền nhằm duy trì mức công suất tín hiệu ở trạng thái ổn định, giảm suy hao và tăng khoảng cách truyền Thiết bị khuếch đại này đồng thời hỗ trợ các chức năng định tuyến và chuyển mạch bước sóng (wavelength routing and switching), cho phép quản lý và điều phối các bước sóng khác nhau để tối ưu hóa băng thông và hiệu suất mạng [08]
Kết luận chương
Chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về bộ khuếch đại quang, vai trò và nguyên lý hoạt động của nó trong hệ thống truyền dẫn quang Trong các loại khuếch đại, EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được xem là tối ưu nhờ độ lợi cao, phổ rộng, nhiễu thấp và độ tin cậy lớn, đặc biệt phù hợp cho các hệ thống cáp quang biển và truyền dẫn WDM.
Chương 2 nêu rõ các tham số kỹ thuật quan trọng cho khuếch đại quang, bao gồm độ lợi, công suất bão hòa, hệ số nhiễu và nhiễu ASE, đồng thời phân tích ưu nhược điểm của các loại khuếch đại như EDFA, SOA và Raman Dù còn tồn tại các hạn chế như nhiễu tích lũy và giới hạn công suất bão hòa, EDFA vẫn được xem là giải pháp tối ưu cho truyền dẫn quang đường dài nhờ khả năng khuếch đại tín hiệu hiệu quả trên khoảng cách xa và chi phí hợp lý Trong khi SOA và Raman có những ưu điểm riêng, chúng cũng đối mặt với mức nhiễu cao hơn hoặc giới hạn công suất ở một số điều kiện vận hành, khiến EDFA được ưu tiên nhiều hơn cho mạng truyền dẫn quang đường dài.
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CÁP QUANG BIỂN
Giới thiệu chung
3.1.1 Khái niệm về hệ thống cáp quang biển
Hệ thống cáp quang biển là hệ thống truyền dẫn gồm các tuyến cáp quang được đặt dưới đáy biển nhằm truyền lưu lượng thông tin giữa các vùng miền, quốc gia và thậm chí giữa các lục địa Những tuyến cáp này kết nối mạng viễn thông trên đất liền với hạ tầng ở biển, đóng vai trò là cầu nối quan trọng giúp truyền thông liên vùng và liên quốc gia hoạt động hiệu quả trên toàn cầu.
3.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Cuối thế kỷ XX, sự ra đời của công nghệ sợi quang đánh dấu bước ngoặt cho ngành truyền thông dưới biển, cho phép truyền tín hiệu ánh sáng với tổn hao thấp và băng thông rất lớn, từ đó nâng cao phạm vi liên lạc, hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống dưới biển.
Năm 1988, tuyến cáp quang biển đầu tiên trên thế giới, TAT-8, được đưa vào vận hành, kết nối Mỹ – Anh – Pháp với dung lượng khoảng 280 Mb/s Đây được xem là sự kiện đánh dấu cáp quang chính thức thay thế cáp đồng trục trong các hệ thống truyền dẫn xuyên lục địa, mở ra kỷ nguyên truyền tải dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn cho mạng toàn cầu.
Trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm (1960s - 1970s), hai kỹ sư Charles Kuen Kao và George Hockman đã công bố những phát hiện về sợi quang vào năm 1966, đặt nền móng cho công nghệ cáp quang và sự phát triển của mạng truyền thông quang học Đến thập niên 1970, các công ty viễn thông bắt đầu thử nghiệm và triển khai sử dụng cáp quang rộng rãi, mở đường cho sự chuyển đổi công nghệ truyền dẫn dữ liệu từ kim loại sang quang học.
Trong giai đoạn phát triển ban đầu và triển khai (1980s - 1990s), mặc dù đã có nhiều nỗ lực ban đầu, Internet đã thúc đẩy sự tăng trưởng mạnh mẽ của cáp quang Đến thập niên 1990, sự bùng nổ của Internet làm tăng nhu cầu về băng thông và đẩy mạnh triển khai cáp quang trên toàn cầu, mở rộng phủ sóng và kết nối các khu vực trên thế giới.
Trong giai đoạn hiện đại hóa và mở rộng từ thập niên 2000 đến nay, hệ thống cáp quang biển được thiết kế với cấu trúc đa lớp phức tạp nhằm tăng độ bền và bảo vệ sợi quang khỏi tác động của môi trường Các doanh nghiệp liên tục đầu tư vào các tuyến cáp mới, nâng cao công suất và dung lượng, mở rộng mạng lưới kết nối các lục địa và quốc gia trên toàn thế giới.
3.1.3 Phân loại hệ thống cáp quang biển
3.1.3.1 Hệ thống cáp quang biển có bộ lặp (repeater)
Một hệ thống cáp quang dưới biển là mạng lưới dài các sợi quang đặt dưới đáy đại dương để liên kết các khu vực và quốc gia Tại những đoạn dài, suy hao tín hiệu quang dọc theo sợi vượt quá khả năng truyền dẫn của sợi quang, gây suy giảm và mất tín hiệu nếu không có biện pháp can thiệp Vì vậy, tuyến cáp này cần bộ lặp quang (repeater) để tái khuếch đại, phục hồi và duy trì công suất cũng như chất lượng tín hiệu trên toàn tuyến Nhờ đó, hệ thống cáp quang dưới biển có thể cung cấp băng thông lớn và ổn định cho Internet toàn cầu.
Bộ lặp được đặt định kỳ dọc tuyến (thường cách nhau 50–100 km).
Có thể dùng EDFA hoặc EDFA + Raman.
Thích hợp cho cáp xuyên lục địa hoặc các tuyến >500 km.
Tín hiệu được khuếch đại quang tại bộ lặp, không cần chuyển đổi quang–điện– quang.
3.1.3.2 Hệ thống cáp quang biển không có trạm lặp
Thường dùng sợi quang chất lượng cao, công nghệ WDM/DWDM và nguồn laser công suất lớn.
Chi phí vận hành thấp hơn do không cần bảo trì bộ lặp.
Thích hợp cho kết nối quần đảo, khu vực ven biển, kết nối ngắn trong nước
Ví dụ: Một số tuyến cáp nội địa hoặc cáp quốc tế ngắn như các nhánh ven biển Đông Nam Á.
Cấu trúc hệ thống cáp quang biển
3.2.1 Sơ đồ cơ bản về hệ thống cáp quang biển
- Sơ đồ cơ bản của một hệ thống cáp quang biển gồm:
Trạm cập bờ: nằm ở hai đầu của một hệ thống truyền dẫn quang cáp quang biển.
Các bộ lặp: nằm dưới đáy biển chủ dùng để khuếch đại và làm mạnh tín hiệu.
Sợi cáp quang biển: kết nối giữa trạm cập bờ, giữa các bộ lặp dùng để truyền dẫn tín hiệu quang.
Hình 3.1 Mô tả cơ bản hệ thống cáp quang biển
3.2.2 Cấu tạo sợi cáp quang biển
Có hai loại sợi cáp quang biển:
Sợi quang đơn mode (Single - Mode Fible - SMF)
Sợi quang đa mode (Multi - Mode Fible - MMF)
3.2.1.2 Sợi quang đơn mode (Single - Mode Fible - SMF)
- Hầu hết các hệ thống cáp quang biển hiện đại đều sử dụng Cáp quang đơn mode (Single-Mode Fiber - SMF).
Đặc điểm: Sợi quang SMF cú lừi rất nhỏ (đường kớnh khoảng 9 àm) Lừi nhỏ chỉ cho phép ánh sáng truyền theo một đường duy nhất (chế độ đơn).
Suy hao tín hiệu thấp nhất (Low Attenuation)
Tán sắc thấp nhất (Low Dispersion)
Cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cực cao và trên khoảng cách rất xa (hàng trăm đến hàng nghìn km).
Ứng dụng: Đây là loại sợi quang tiêu chuẩn bắt buộc cho tất cả các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương và đường trục quốc tế.
3.2.1.3 Sợi quang đa mode (Multi -Mode Fible - MMF)
Đặc điểm: Sợi quang MMF cú lừi lớn hơn nhiều (khoảng 50 àm hoặc 62.5 àm), cho phép ánh sáng truyền theo nhiều đường (chế độ đa) khác nhau.
Nhược điểm chính của hệ truyền quang là ánh sáng đi qua sợi quang theo nhiều đường khác nhau, gây ra hiện tượng tán sắc mode (modal dispersion) Hiện tượng này làm tín hiệu bị nhòe và suy giảm chất lượng theo khoảng cách truyền, ảnh hưởng đến hiệu suất và giới hạn băng thông của hệ thống Do đó, modal dispersion là yếu tố cần xem xét khi thiết kế mạng quang, đặc biệt với yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao và khoảng cách dài.
Ứng dụng của cáp quang MMF cho thấy nó không phù hợp cho cáp biển vì yêu cầu truyền dẫn ở khoảng cách rất xa không đáp ứng được MMF chủ yếu được dùng trong mạng cục bộ (LAN) hoặc trung tâm dữ liệu (Data Center) với khoảng cách liên kết ngắn, từ vài trăm mét đến vài km.
3.2.3 Cấu trúc cơ bản của sợi cáp quang biển
- Cấu trúc cơ bản của sợi cáp quang biển gồm 8 lớp chính :
Lớp vỏ ngoài của cáp được làm từ PE (Polyethylene), một chất liệu có khả năng chống ẩm và không tương tác với các dung dịch kiềm hay muối có trong nước biển PE cũng không phản ứng với axit hữu cơ hay vô cơ, kể cả axit sulfuric đặc, nên được xem là lựa chọn hợp lý nhất cho môi trường nước biển vì mọi phản ứng với nước ở bất kỳ thành phần nào đều được loại trừ, giúp cáp không bị ảnh hưởng bởi nước biển Ngoài ra, PE từng được dùng làm vật liệu cách nhiệt cho các đường dây điện thoại xuyên đại dương giữa các châu lục vào giữa thế kỷ 20, nhưng do độ xốp tự nhiên của nó, không thể bảo vệ cáp hoàn toàn nên các lớp bảo vệ bổ sung vẫn được sử dụng.
Lớp 2 là màng Mylar làm từ PET (polyethylene terephthalate), nằm ở phía dưới lớp PE và là vật liệu tổng hợp dựa trên PET PET có tính chất hóa học ổn định, chịu được nhiều môi trường khắc nghiệt và có độ bền gấp 10 lần PE, đồng thời có khả năng chống va đập và mài mòn Vì vậy màng Mylar được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, bao gồm hàng không vũ trụ, và còn có nhiều ứng dụng trong bao bì và dệt may.
Lớp 3 là lớp giáp bảo vệ, đặt dưới màng Mylar và được gia cố bằng một lớp dây thép cứng có một lớp giáp bảo vệ riêng, tùy thuộc vào đặc điểm và mục đích của từng cáp cụ thể Thông số của lớp này thường là một lớp sợi thép cứng giúp tăng độ bền và khả năng chống chịu các tác động cơ học từ bên ngoài Bức xạ điện từ từ dây cáp có thể thu hút cá mập đến cắn.
Lớp thép mạ kẽm làm giáp bảo vệ cho cáp, cho phép đặt cáp ở phía dưới mà không cần rãnh, tăng tính an toàn và tiết kiệm công trình Trọng lượng của một kilômét cáp được bảo vệ bằng giáp thép như vậy có thể lên tới vài tấn, đòi hỏi hệ thống chịu lực và vận chuyển phù hợp Giáp nhôm không thể được sử dụng trong môi trường biển vì khi tiếp xúc với nước biển nó sẽ phản ứng để hình thành hydro, gây bất lợi cho sợi quang bên trong.
Lớp 4 là lớp nhôm polyethylene, vật liệu kết hợp từ lá nhôm và màng polyetylen được dán lại với nhau Với độ dày chỉ khoảng 0.2 mm, lớp này gần như vô hình trong khối lượng lớn của kết cấu cáp [12].
Lớp 5 áp dụng polycarbonate để tăng cường độ chắc chắn cho cáp mà vẫn duy trì trọng lượng nhẹ Lớp phủ polycarbonate mang lại sự bền bỉ, giúp cáp chịu được áp lực và va đập tốt hơn so với nhiều vật liệu khác Nhờ đặc tính chịu lực và độ bền cao, polycarbonate được ứng dụng rộng rãi và thậm chí được dùng trong sản xuất mũ bảo hộ [12]
Lớp 6 của lõi cáp gồm Ống Đồng/Nhôm nằm dưới lớp polycarbonate, trong đó có một ống đồng (hoặc nhôm) được tích hợp vào thiết kế lõi cáp và đóng vai trò như lớp màn chắn Bên trong lớp này có các ống đồng chứa sợi quang nhỏ, góp phần bảo vệ và tổ chức đường truyền tín hiệu của hệ thống.
Ống đệm quang, hay còn gọi là lớp bảo vệ sợi quang (Fiber Buffer Tubes/Sheath), là lớp bao quanh các sợi quang nhằm bảo vệ chúng khỏi các ứng suất nén và kéo nhỏ Lớp này thường chứa gel làm đầy để ngăn nước thấm và tăng độ bền, độ tin cậy cho hệ cáp quang.
Trong lớp 8, Sợi quang (Optical Fibers) là các sợi thủy tinh siêu mỏng ở chế độ đơn (đơn mode) dùng để truyền dữ liệu và đóng vai trò là lõi quan trọng nhất của cáp quang, quyết định hiệu suất truyền tín hiệu và tốc độ mạng.
Hình 3.2 Cấu trúc cơ bản của sợi cáp quang biển
3.2.4 Các thành phần chính trong tuyến cáp quang biển
Trong hệ thống cáp quang biển, thiết bị phát sử dụng các nguồn laser ổn định (thường là DFB hoặc EML) để tạo ra tín hiệu quang có độ tinh khiết phổ cao nhằm phù hợp với truyền dẫn đường dài và ghép kênh quang Tín hiệu thường được điều chế ngoài để giảm nhiễu và đảm bảo hiệu suất cao hơn.
DFB-LD (Distributed Feedback Laser Diode) là loại laser bán dẫn có cấu trúc cộng hưởng tích hợp với grating nằm bên trong lòng cộng hưởng nhằm chọn lọc mode dao động, từ đó tạo ra phổ phát xạ hẹp và ổn định, phù hợp cho các ứng dụng viễn thông và hệ thống quang học đòi hỏi chất lượng tín hiệu cao.
EML (Electro-Absorption Modulated Laser) là thiết bị tích hợp, kết hợp laser DFB và bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) trên cùng một chip; điều chế được thực hiện tại vùng EAM qua việc thay đổi khả năng hấp thụ của vật liệu khi đặt điện áp, cho phép điều khiển tín hiệu quang học mà không cần một bộ điều chế rời Đây là laser điều chế ngoài tích hợp.
Nguồn thu: Tại đầu thu, tín hiệu quang sau khi lan truyền xa được tiếp nhận bằng các linh kiện quang điện có độ nhạy cao như PIN hoặc APD Hệ thống thu được thiết kế để tối ưu tỷ lệ tín hiệu-nhiễu, hỗ trợ giải điều chế và tái tạo dữ liệu chính xác sau suy hao và tạp nhiễu từ đường truyền.
3.2.4.2 Bộ khuếch đại EDFA/Raman
Các tham số trong cáp quang biển
3.3.1 Tín hiệu truyền trong sợi quang
Trong cáp quang biển, tín hiệu quang được dẫn dọc theo lõi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần Hệ thống sợi đơn mode (SMF) được sử dụng phổ biến, cho phép truyền gần như một mode duy nhất, giảm méo dạng sóng và tăng băng thông hiệu dụng Tín hiệu có thể điều chế theo cường độ (IM) hoặc điều chế pha/đa trị (coherent modulation); các tham số quan trọng gồm bước sóng hoạt động (thường là 1.55 µm), công suất phát, độ rộng phổ (linewidth) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (OSNR).
- Suy hao quang làm giảm công suất tín hiệu theo khoảng cách và là yếu tố quyết định đến khoảng cách đặt repeater Nguyên nhân chính bao gồm:
Hấp thụ vật liệu (OH⁻, tạp chất silica)
Tổn thất do nối và uốn cong sợi
Suy hao điển hỡnh của sợi đơn mode là khoảng 0,2 dB/km ở 1.55 àm.
- Tán sắc làm giãn xung quang, gây méo tín hiệu Các loại tán sắc chính gồm:
Chromatic Dispersion (CD): tốc độ truyền phụ thuộc bước sóng.
Polarization Mode Dispersion (PMD): lệch pha giữa các mode phân cực.
Giải pháp khắc phục gồm sử dụng sợi bù tán sắc (DCF) hoặc DSP-based coherent detection cho hệ thống hiện đại.
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến khi các tham số của nó phụ thuộc vào cường thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên tới 2,5 Gb/s Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gb/s hoặc ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến trở nên rất quan trọng Đối với hệ thống WDM, hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải Hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm hai loại: a) Tán xạ kích thích.
Phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các photon (rung động phân tử).- Tán xạ B rillouin kích thích (SBS-).
- Tán xạ Raman kích thích (SRS-). b) Điều chế pha phi tuyến
Sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỳ lệ với bình phương biên độ điện trường.
- Tự điều chế pha (SPM-).
- Điều chế pha chéo (XPM-).
3.3.5 Nhiễu và các yếu tố làm giảm chất lượng truyền dẫn
- Chất lượng tín hiệu trong cáp quang biển bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu và yếu tố môi trường:
Nhiễu quang: từ EDFA (ASE noise), Raman amplifier, scattering
Nhiễu điện tử: từ photodiode, khối DSP, thiết bị thu
Yếu tố môi trường: nhiệt độ, áp lực biển, rung động, uốn cong cáp
Để đảm bảo hiệu quả truyền dẫn trong mạng quang, cần kết hợp thiết kế repeater hợp lý với các giải pháp khuếch đại quang thích hợp, đồng thời thực hiện bù tán sắc và lựa chọn bước sóng tối ưu Việc tối ưu các yếu tố này giúp giảm tổn thất tín hiệu, tăng cường khả năng truyền tải và nâng cao độ tin cậy của toàn bộ hệ thống quang học Trong quá trình thiết kế, sự phối hợp giữa thiết kế repeater, khuếch đại quang và bù tán sắc cùng với việc chọn bước sóng phù hợp sẽ mang lại hiệu quả truyền dẫn vượt trội.
Công nghệ truyền dẫn trong cáp quang biển
3.4.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM-Wavelegth Division
Multiplexing và bước sóng dày đặc DWDM-Dense Wavelegth Division
3.4.1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM-Wavelength Division
- Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division
Multiplexing quang học là kỹ thuật cho phép truyền đồng thời nhiều luồng thông tin quang học độc lập trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng nhiều nguồn phát hoạt động ở các bước sóng khác nhau Mỗi luồng thông tin được gán một bước sóng riêng biệt và sau đó các tín hiệu này được ghép lại bằng bộ ghép kênh quang để truyền chung trên một sợi quang duy nhất.
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép các bước sóng khác nhau của nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang bằng bộ ghép kênh MUX và truyền các bước sóng này trên cùng một sợi quang Đến đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ phân tách các bước sóng đã ghép để thu nhận lại từng bước sóng tương ứng.
3.4.1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng dày đặc DWDM- Dense Wavelegth Division Multiplexing
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ truyền thông quang tiên tiến, đóng vai trò then chốt trong các mạng đường trục viễn thông hiện đại Công nghệ này được định nghĩa là một kỹ thuật truyền dẫn cho phép truyền tải nhiều luồng dữ liệu độc lập (kênh quang) đồng thời qua một sợi cáp quang duy nhất, giúp tối ưu dung lượng và giảm chi phí hạ tầng Nhờ khả năng ghép nhiều bước sóng (kênh quang) vào một sợi quang, DWDM cho phép tăng băng thông tổng thể và mở rộng khả năng truyền dữ liệu mà không cần gia tăng số lượng sợi Điều này khiến DWDM trở thành lựa chọn hàng đầu cho các mạng backbone và các hệ thống viễn thông cần dung lượng cao, độ ổn định và tính linh hoạt trong mở rộng.
DWDM hướng tới giải quyết hạn chế dung lượng bằng cách khai thác triệt để băng thông khổng lồ của sợi quang Trong đó, khái niệm “Mật độ cao” mô tả cách hệ thống ghép nhiều kênh trên một sợi bằng cách sử dụng khoảng cách giữa các bước sóng rất hẹp, thường là 0,8 nm, 0,4 nm hoặc 0,2 nm Nhờ đó, DWDM cho phép ghép một số lượng lớn kênh truyền, thường từ 40 kênh trở lên và có thể đạt tới hàng trăm kênh tùy vào thiết kế và cấu hình hệ thống, từ đó tăng đáng kể dung lượng và hiệu quả của mạng quang.
Trong hệ thống truyền quang hiện đại, 100 kênh quang được ghép vào một cửa sổ băng tần duy nhất, chủ yếu thuộc các băng C và L, để tối ưu hóa băng thông sẵn có Mỗi kênh quang hoạt động độc lập với tốc độ cao, từ đó tăng tổng dung lượng truyền dẫn của một sợi quang lên hàng Terabit/giây Công nghệ này là nền tảng của WDM (Wavelength Division Multiplexing), cho phép truyền đồng thời nhiều kênh dữ liệu trên cùng một sợi quang bằng cách phân chia phổ quang thành các kênh riêng biệt, giúp nâng cao hiệu suất mạng, giảm chi phí và đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn với độ tin cậy cao.
- Về mặt nguyên lý hoạt động cả hai công nghệ WDM và DWDM đều giống nhau, DWDM là phiên bản nâng cấp của WDM về mặt bước sóng [16]
Điều chế quang đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải thông tin qua sợi quang biển, quyết định tốc độ truyền dẫn, hiệu quả sử dụng phổ, khả năng chống nhiễu và khoảng cách truyền của tuyến cáp Qua nhiều giai đoạn phát triển, kỹ thuật điều chế đã chuyển từ các phương pháp đơn giản sang các kỹ thuật hiện đại dựa trên phát hiện đồng điều (coherent detection) và xử lý tín hiệu số, nhằm đáp ứng nhu cầu dung lượng ngày càng cao của các tuyến cáp biển và nâng cao hiệu suất của hệ thống.
3.4.2.1 Điều chế cường độ (Intensity Modulation – IM)
Trong các hệ thống cáp quang biển thế hệ đầu tiên, kỹ thuật điều chế chủ yếu là điều chế cường độ ánh sáng (IM-DD) Phương pháp này biểu diễn tín hiệu số bằng sự biến thiên cường độ phát sáng, và kỹ thuật tiêu biểu nhất là On–Off Keying (OOK), trong đó trạng thái sáng được bật hoặc tắt để biểu diễn bit 1 hoặc 0.
Bên cạnh OOK, hai dạng phổ biến khác là NRZ (Non-return-to-zero) và RZ (Return-to-zero). NRZ cho phép truyền dữ liệu với băng thông hẹp hơn, trong khi RZ giúp cải thiện khả năng đồng bộ hóa nhưng yêu cầu băng thông lớn hơn.
Mặc dù các kỹ thuật IM-DD đơn giản, chi phí thấp và dễ triển khai, chúng bị hạn chế về tốc độ và khả năng chống lại suy hao, tán sắc và nhiễu trong các tuyến truyền dẫn dài Vì vậy, chúng chủ yếu được sử dụng trong các tuyến thế hệ 1–2 với tốc độ truyền phổ biến từ 2.5 Gb/s đến 10 Gb/s.
3.4.2.2.Điều chế pha / đa trị (Phase / Advanced Modulation)
Để đáp ứng nhu cầu tăng tốc độ truyền và cải thiện hiệu quả sử dụng phổ, các hệ thống cáp quang biển thế hệ sau đã chuyển sang áp dụng các kỹ thuật điều chế pha, trong đó điều chế pha vi sai (Differential Phase-Shift Keying – DPSK) được triển khai rộng rãi nhờ khả năng chống nhiễu tốt hơn và yêu cầu OSNR thấp hơn so với OOK.
DQPSK (Differential Quadrature Phase-Shift Keying) là biến thể nâng cao của DPSK, cho phép mã hóa hai bit dữ liệu trong mỗi ký tự nhờ sử dụng bốn mức pha khác nhau Nhờ cơ chế này, DQPSK tăng gấp đôi tốc độ truyền so với DPSK khi cùng băng thông phổ, và giai đoạn này đánh dấu sự phổ biến của tốc độ 40 Gb/s trong các hệ thống DWDM dài và rất dài.
Trong các giai đoạn hiện nay, các định dạng điều chế phổ biến nhất là QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) và DP-QPSK (Dual-polarization QPSK) DP-QPSK cho phép truyền tải 4 bit trên mỗi ký tự nhờ sử dụng hai trạng thái phân cực, từ đó tăng hiệu suất truyền tải trên cùng một kênh quang Với ưu điểm về băng thông và độ ổn định tín hiệu, DP-QPSK đã trở thành lựa chọn chuẩn cho các tuyến cáp biển tốc độ 100G và 200G, đáp ứng nhu cầu mạng dữ liệu chất lượng cao.
Trong các hệ thống 400G và 800G, 16-QAM và DP-16QAM được triển khai để tăng mật độ thông tin truyền tải, mang lại hiệu suất dữ liệu cao hơn, nhưng các định dạng QAM bậc cao đòi hỏi OSNR lớn hơn, khiến khoảng cách truyền thực tế bị giới hạn và ngắn đi so với DP-QPSK.
Các thế hệ của hệ thống thông tin quang cáp quang biển
Trong hệ thống truyền tín hiệu bằng cáp quang, tín hiệu analog được truyền với tốc độ khoảng 280 Mbps và được bù suy hao bằng bộ repeater điện theo chu trình O-E-O Ở thế hệ đầu của công nghệ này, chưa áp dụng công nghệ ghép kênh và khuếch đại tín hiệu.
Việc sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu số cho phép tốc độ ngày càng cao, từ 2,5 Gbps đến 10 Gbps Hiện nay đang thử nghiệm kết hợp hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM nhằm tăng dung lượng truyền và mở rộng băng thông cho mạng quang, mang lại giải pháp truyền dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng công nghệ.
Thế hệ đầu tiên ứng dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tách ghép các kênh và truyền dữ liệu trên một sợi quang duy nhất Nhờ bước đột phá WDM, lưu lượng truyền và tốc độ truyền dẫn đã tăng lên đáng kể nhờ khả năng ghép nhiều kênh trên cùng một sợi quang Mỗi kênh có thể đạt tốc độ lên tới 10 Gbps, mở rộng băng thông và nâng cao hiệu quả của mạng quang Công nghệ WDM tối ưu hóa việc sử dụng sợi quang, giảm chi phí và tăng khả năng mở rộng cho hệ thống truyền tải quang hiện đại.
Với tốc độ 40 Gbps và tổng dung lượng có thể đạt tới vài Tbps, công nghệ khuếch đại tín hiệu quang EDFA cho phép truyền dữ liệu đi xa hơn bằng cách tăng cường tín hiệu trên đường truyền Nhờ những đột phá này, các tuyến cáp quang biển có thể đi xa hơn, từ đó làm giảm chi phí cho các repeater và tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống Đây là bước đệm quan trọng cho sự phát triển của các tuyến cáp quang biển mới, mở rộng mạng lưới kết nối và nâng cao khả năng truyền dữ liệu ở quy mô toàn cầu.
3.5.4 Thế hệ 4 – Coherent / High-Capacity (2010s – nay)
Công nghệ Coherent detection kết hợp modulation nâng cao (QPSK, 16-QAM)
DSP-based dispersion compensation giúp giảm méo xung, cải thiện BER.
DWDM nhiều kênh, tối ưu hiệu suất quang, giảm chi phí dài hạn.
-Tốc độ: 100–400 Gbps/kênh, tổng dung lượng >10 Tbps.
-Ứng dụng: Thích hợp cho tuyến xuyên đại dương hiện đại, dung lượng cực lớn.
Ứng dụng và các tuyến cáp quang biển hiện nay và ở Việt Nam
3.6.1 Một số tuyến cáp quang biển hiện nay
Theo thống kê toàn cầu, hiện nay trên thế giới có hơn 300 tuyến cáp quang biển kết nối các khu vực và châu lục, với tổng chiều dài khoảng 900.000 km, đủ để quấn quanh Trái Đất ba vòng ở bán kính lớn nhất.
Một số sơ đồ cáp quang biển trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay:
Hình 3.4 Đường cáp quang biển từ Bắc Mỹ (trái) xuyên qua Đại Tây Dương tới châu Âu (phải)
3.6.2 Tuyến cáp quang biển tại Việt Nam
- Tại Việt Nam, cho đến thời điểm hiện tại Việt Nam có tổng cộng 8 tuyến cáp quang biển:
Hình 3.5 Sơ đồ đường cáp quang biển tại Việt Nam hiện nay
APG (Asia Pacific Gateway) là tuyến cáp ngầm có dung lượng lớn, đóng vai trò quan trọng trong hạ tầng viễn thông khu vực Tuyến cáp này kết nối Việt Nam với Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Hồng Kông, Đài Loan, Malaysia, Thái Lan và Singapore, mở rộng khả năng truyền dữ liệu và tăng tốc độ kết nối internet quốc tế Nhờ APG, Việt Nam được liên thông trực tiếp với các thị trường công nghệ cao ở châu Á, tối ưu hóa băng thông, giảm thiểu độ trễ và nâng cao chất lượng các dịch vụ như đám mây, truyền hình và ứng dụng doanh nghiệp.
Hình 3.6.Tuyến cáp quang biển AP (Asia Pacific Gateway)
AAG (Asia-America Gateway): Tuyến cáp quan trọng kết nối trực tiếp Đông Nam Á với Hoa Kỳ, có chiều dài khoảng 20.000 km và hoạt động từ năm 2009.[18]
Hình 3.7 Tuyến cáp quang biển AAG (Asia-America Gateway)
AAE-1 (Asia Africa Europe-1) là tuyến cáp quang biển quan trọng kết nối Việt Nam với nhiều quốc gia và khu vực khác nhau, bao gồm Hong Kong, Singapore, Ấn Độ, Trung Đông, Châu Âu và Châu Phi, góp phần nâng cao băng thông, cải thiện chất lượng truyền dữ liệu và tăng cường liên kết kinh tế số giữa các khu vực [19].
Hình 3.8 Tuyến cáp quang biển AAE-1 (Asia Africa Europe-1)
TNG-IA (Tata TNG-Intra Asia): Tuyến cáp Liên Á, kết nối Việt Nam với các quốc gia khác trong khu vực như Singapore, Hồng Kông, Philippines và Nhật
Hình 3.9 Tuyến cáp quang biển TNG-IA (Tata TNG-Intra Asia)
ALC (Asia Link Cable): dự kiến sẽ hoạt động vào năm 2027, chiều dài 7,200km, kết nối các quốc gia Việt Nam, Brunei, Trung Quốc, Malaysia, Singapore,
Hình 3.10 Tuyến cáp quang ALC (Asia Link Cable)
SJC-2 (Shoutheast Asia-Japan Calbe 2): chiều dài tuyến cáp quang là 10,500 km , ra mắt vào tháng 7 năm 2025, kết nối giữa các quốc gia như Việt Nam,
Malaysia, Singapore, Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc [22]
Hình 3.11 Tuyến cáp quang biển SJC-2 (Shoutheast Asia-Japan Calbe 2)
VTS (Vietnam - Singapore Cable System): Dự kiến hoạt động vào năm 2027, với chiều dài cả tuyến còn đang dự kiến Kết nối giưa Việt Nam và Singapore [23]
Hình 3.12 Tuyến cáp quang biển VTS (Vietnam - Singapore Cable System)
ADC (Asia Direct Cable): với chiều dài 9,988 km, kết nối các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Philipinese, Thái Lan và Malaysia.
Hình 3.13 Tuyến cáp quang biển ADC (Asia Direct Cable) [24]
Kết luận chương 3
Chương 3 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang cáp quang biển, từ khái niệm và lịch sử phát triển đến phân loại các hệ thống hiện có, đồng thời làm rõ cấu trúc tổng thể của tuyến cáp biển Nội dung này làm rõ các thành phần chính như sợi quang, repeater, bộ ghép/tách bước sóng và trạm cập bờ, cũng như phân tích mối quan hệ giữa chúng trong hệ thống truyền dẫn quang biển Bên cạnh đó, chương phân tích các tham số ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn như suy hao, tán sắc, phi tuyến và nhiễu để làm rõ các yếu tố quyết định hiệu suất của hệ thống.
Chương đã trình bày các công nghệ truyền dẫn chủ đạo trong cáp biển, nổi bật như WDM/DWDM, cùng với các kỹ thuật điều chế tiên tiến và phương pháp bù tán sắc nhằm nâng cao dung lượng và độ tin cậy của hệ thống Bên cạnh đó, việc phân chia các thế hệ cáp quang biển cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ theo hướng tăng tốc độ truyền, tối ưu hiệu suất phổ và giảm chi phí vận hành.
Cuối cùng, chương tổng kết bằng cách điểm qua một số tuyến cáp quang biển trên thế giới và tại Việt Nam, nhấn mạnh vai trò trọng yếu của hạ tầng cáp biển đối với kết nối viễn thông quốc tế và sự phát triển kinh tế – xã hội Nhờ đó, Chương 3 đã cung cấp nền tảng cần thiết để hiểu rõ nguyên lý, công nghệ và hiện trạng ứng dụng của hệ thống cáp quang, giúp người đọc nắm bắt cách các tuyến cáp biển hỗ trợ luồng dữ liệu toàn cầu và sự phát triển của cơ sở hạ tầng truyền thông.
![Hình 1.4. Sơ đồ khối bộ phát quang EO [02] - Thiết kế Đồ Án viễn thông Đề tài thiết kế hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch Đại quang](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.net%2Fimage%2Fdoc_normal.png)