Tổng quan hệ thống thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theobước sóng WDM là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợiquang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệ

Mục lục trang

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT……… ……….

3 DANH MỤC HÌNH VẼ………

5 LỜI NÓI ĐẦU……… 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG…… 9

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUAN 9

1.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin quang 9

1.1.2.Lịch sử phát triển của thông tin quang sợi 9

1.1.3.Vai trò của hệ thống thông tin quang 10

1.2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 11

1.2.1 Cấu hình sơ đồ khối 11

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang 12

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 13 1.2.1 Sợi quang 13

1.2.2 Bộ phát quang 26

1.2.3 Bộ thu quang 29

1.2.4 Các trạm lặp 30

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 31

1.3.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 31

1.3.2 Phân loại theo chuẩn ghép kênh 31

1.3.3 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến 34

1.3.4 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 35

1.4 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI 35

1.4.1 Ưu điểm 35

1.4.2 Nhược điểm 36

1.5 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 37

2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG WDM 38

2.1.1 Giới thiệu chung 38

2.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống WDM 39

2.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM 41

2.1.4 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 42

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 46

2.2.1 Định nghĩa 46

2.2.2 Các hiệu ứng tán xạ 47

2.2.3 Hiệu ứng Kerr 49

2.2.4 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 53

CHƯƠNG III: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN HỆ THỐNG WDM……

54 3.1 BỘ GHÉP VÀ BỘ TÁCH KÊNH QUANG 54

3.1.1 Bộ lọc quang 55

3.1.2 Bộ tách kênh trong miền không gian 68

3.2 BỘ XEN RẼ QUANG OADM 72

3.3 BỘ NỐI CHÉO QUANG OXC 73

3.4 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 75

3.4.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang 75

3.4.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 75

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM 78 4.1 ỨNG DỤNG TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN 78

4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao 78

4.1.2 Mạng quảng bá 81

4.2 ỨNG DỤNG CỦA WDM TRONG MẠNG ĐA TRUY NHẬP 82

4.2.1 Mở đầu 82

4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng 84

4.2.3 Mạng WDMA đa chặng 87

4.3 ỨNG DỤNG WDM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG

89

4.4 ỨNG DỤNG WDM CHO CÁC TUYẾN CÁP ĐƯỜNG DÀI 91 KẾT LUẬN 94

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADM Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ

APD Avalance Photodiode Diôt tách sóng thác

AWG Arrayed Waveguide Grating Ma trận ống dẫn sóng kiểu

lưới

CPM Cross Phase Modulation Điều chế xuyên pha

DBR Distribute Bragg Reflect Laser phản xạ Bragg phân bốDFB Distribute FeedBack Laser phản hồi phân bố

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplex

Ghép kênh bước sóng mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại sợi có pha tạp

Erbium

ITU International

Telecommunications Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted

Fibre

Sợi dịch tán sắc khác không

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quangODMUX Optical Demultiplexer Bộ tách sóng quang

OMUX Optical Mutltiplexer Bộ ghép sóng quang

O-E-O Optical-Enectronical-Optical Biến đổi quang-điện-quangOMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang

OFDM Otical Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh quang phân chiatheo tần số

OTDM Optical Time Division

Bộ đầu cuối ghép kênh quang

OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang

SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễuSRS Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thíchSTM Synchorous Transmision Mode Chế độ chuyển giao đồng bộTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

DANH MỤC HÌNH VẼ

T

rang

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 12

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang 14

Hình 1.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) .15

Hình 1.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI 16

Hình 1.5 Cấu trúc sợi đa mode 17

Hình 1.6 Cấu trúc sợi đơn mode 18

Hình 1.7 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang 19

Hình 1.8 Truyền sóng ánh sáng trong sợi SI 20

Hình 1.9 Tán sắc Mode (d mod ) thay đổi theo chiết suất 23

Hình 1.10 Tán sắc chất liệu, tán sắc dẫn sóng và tán sắc sắc thể thay đổi theo bước sóng 23

Hình 1.11 Tán sắc thể của các loại sợi 25

Hình 1.12 Sơ đồ khối bộ phát quang 27

Hình 1.13 Sơ đồ khối bộ thu quang 29

Hình 1.14 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 30

Hình 1.15 Ghép kênh theo tần số quang (OFDM) 33

Hình 1.16 Hệ thống ghép kênh theo thời gian OTDM 34

Hình 2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM đơn hướng 39

Hình 2.2 Hệ thống ghép bước sóng song hướng 40

Hình 2.3 Xuyên âm trong hệ thống 43

Hình 2.4 Khoảng cách và độ rộng kênh 45

Hình 3.1 Bộ lọc Fabry - Perot 55

Hình 3.2 Bộ lọc Fabry – Perot 56

Hình 3.3 Cấu trúc bộ lọc Fabry-Perot khả chỉnh 59

Hình 3.4 Mắc nối tiếp, (A) two-pass (B) two-cavity 61

Hình 3.5 Cấu trúc bộ lọc Mach-Zender 62

Hình 3.6 Bộ lọc được ghép hình cây M=2 tầng 65

Hình 3.7 Cấu tạo bộ lọc Mach-Zender được sản xuất theo công nghệ tích hợp quang 67

Hình 3.8 Tán sác dùng lăng kính 68

Hình 3.9 Sử dụng lăng kính để tách bước sóng 69

Hình 3.10 Sử dụng cách tử để tách bước sóng 70

Hình 3.11 Sử dụng cách tử để tách kênh 71

Hình 3.12 Sử dụng cách tử để ghép kênh 71

Hình 3.13 Bộ xen rẽ quang OADM 72

Hình 3.14 Nguyên lý của AWG 72

Hình 3.15 Sơ đồ bộ nối chéo quang 73

Hình 3.16 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 76

Hình 4.1 Cấu trúc mạng WDM điểm- điểm 78

Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao 82

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng 83

Hình 4.4 Cấu trúc mạng Lambdanet 85

Hình 4.5 Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt 86

Hình 4.6 Mạng đa chặng 8 nút 88

Hình 4.7 Tuyến thông tin quang BIMPP-GUAM 92

Hình 4.8 Tuyến thông tin quang SEA-ME-WE 3 và phần mở rộng 92

Hình 4.9 Tuyến thông tin quang ASIA-GUAM 93

Hình 4.10 Tuyến thông tin quang NPC2 93

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triểnmạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiệnthiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyểnbiến tích cực, hoà nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới Xu thếtoàn cầu hoá về thương mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thôngtin thoả mãn các nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thôngtin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về nănglực Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lýtưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác Các hệthống truyền dẫn hiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợiquang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu vềđiện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độtruyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theobước sóng (WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợiquang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phươngpháp ghép kênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việctăng dung lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại

Với hàng loạt các ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng hiện đượcnghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyếntrung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Muốn

áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản củathông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thốngcủa hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của

nó, các ưu khuyết điểm của hệ thống mới này so với hệ thống truyền dẫn hiệntại Đây cũng chính là mục đích của đề tài mà em nghiên cứu

Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các

Vinh em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Tổng quan hệ thống thông tinquang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng” Sau một thời gian tìm hiểu

và nghiên cứu cuốn đồ án tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã được hoàn thànhvới nội dung gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

Chương 2: Giới thiệu công nghệ truyền dẫn WDM

Chương 3: Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

Chương 4: Ứng dụng WDM

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Lê Đình Côngngười đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ động viên em rất nhiều trong thờigian em thực hiện đề tài này

Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa công nghệ, Đại học Vinh,các cô, các chú cán bộ đài viễn thông liên tỉnh VTN

Cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ em trong quá trình họctập tại mái trường đại học vinh

Mặc dù đã cố gằng rất nhiều trong thời gian hoàn thành cuốn đồ án này,nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án này chắc chắn sẽ khôngthể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng gópcủa thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để cuốn đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !Vinh, ngày 19 tháng 5 năm 2010

Sinh viênDương Tuấn Đạt

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUAN

1.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống đểtruyền thông tin từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách giữa các nơi này cóthể từ vài trăm mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trăm ngàn kilômét

Hệ thống thông tin quang là một hệ thống thông tin bằng ánh sáng và sử dụngcác sợi quang để truyền thông tin

Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được thực hiện ởtần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần củaphổ sóng điện từ

1.1.2.Lịch sử phát triển của thông tin quang sợi

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong lịch sửloài người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu Liên lạc bằng cách

ra dấu cũng là dạng của thông tin quang bởi vì không thể ra đấu trong bóngtối Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này Thông tin đượcmang từ người gửi đến người nhận dựa vào sự bức xạ mặt trời.Mắt là thiết bịthu thông điệp này, và bộ não thu thông điệp này Thông tin được truyền theokiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn và lỗi rất lớn

Trải qua một thời con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa để làmthông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bước pháttriển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây:

+ Năm 1960 phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo đượclaser bán dẫn và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồnnuôi thấp, công suất và dải sóng đáp ứng và phù hợp làm nguồn phát ánhsáng cho thông tin quang sợi

+ Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn α =1000 dB/km

+ Năm 1970 hãng Corming Glass works (Mỹ) sản xuất thành công sợiquang thạch anh có tiêu hao đạt α = 20 dB/km tương đương với tiêu hao củacáp đồng trục Mở ra khả năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫnánh sáng trở thành hiện thực.

+ Từ năm 1979 đến nay đã sản suất được các loại sợi quang có tiêu haothấp đạt α = 0,2 dB/km

+ Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ 1 làmviệc ở bớc sóng λ = 0,78 μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L = 12m, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L = 12

km, tốc độ bit 90 Mb/s

+ Năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 2 ra đờilàm việc với λ = 1,3 μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L = 12m, dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7 Gb/s, cự likhoảng lặp L = 45 km

+ Năm 1990 hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 3 ra đờilàm việc với λ = 1,55 μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L = 12m, dùng sợi đơn mode, tốc độ bit 2,5 Gb/s, khoảnglặp L=100 km

+ Từ 1995-2000 hệ thống thông tin quang thương mại thứ tư được đưavào sử dụng Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng công nghệWDM kết hợp với bộ khuyếch đại quang EDFA tạo nên các tuyến thông tinquang dung lượng rất lớn và tốc độ cao từ và chục đến hàng trăm Gb/s

+ Hiện nay thế hệ thông tin quang thứ 5 đang được nghiên cứu trongphòng thí nghiệm và thử nghiệm trên hiện trường Đó là hệ thống thông tinquang Soliton, ứng dụng hiệu ứng phi tuyến của sợi quang cho phép xâydựng tuyến truyền dẫn trên cự ly siêu dài đến hàng chục nghìn km với sự trợgiúp của các bộ khuyếch đại quang

1.1.3.Vai trò của hệ thống thông tin quang

Thông tin quang có tổ chức hệ thống tương tự như các hệ thống thôngtin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuânthủ theo hệ thống thông tin chung Đây cũng là nguyên lí mà loài người đã sửdụng ngay từ thời kì khai sinh ra các hình thức thông tin, tín hiệu cần được

truyền đi được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và đầu thu sẽ thulại tín hiệu được truyền

Đối với hệ thông thông tin quang môi trường truyền chính là sợi dẫnquang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang thông tin từ phía phát tới phía thu

Hệ thống thông tin quang với các ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thốngthông tin kim loại là:

- Suy hao truyền dẫn thấp

- Băng tần truyền dẫn lớn

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin

- Có kích thước và trọng lượng nhỏ

- Sợi có tính cách điện tốt

- Tin cậy và linh hoạt

- Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Do các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộngrãi trên toàn mạng lưới Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đường trụctrung kế, liên tỉnh thuê bao kéo dài, đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trongnhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa, vượt đại dương

Các hệ thống thông tin quang cũng rất thích hợp cho việc truyền dẫn sốkhông loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu ÂuBắc Mỹ và Nhật Bản

1.2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.2.1 Cấu hình sơ đồ khối

Sơ đồ khối một hệ thống thông tin quang sợi điển hình có dạng nhưtrên hình 1.1 sau:

Hệ thống bao gồm 4 khối chính là : khối thiết bị đầu cuối phát quang,khối thiết bị đầu cuối thu quang, sợi truyền dẫn quang và trạm lặp Sơ đồ khốicủa hệ thống thông tin quang sợi cũng tương tự như các hệ thống thông tinkhác như : thông tin vô tuyến, thông tin vệ tinh hoặc thông tin vi ba Sự khácnhau ở đây là phần con của hệ thống là phần quang

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang

Tại mỗi phần tín hiệu thông tin được biến đổi như sau :

Phía phát : Nguồn tín hiệu thông tin như tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu…

sau khi được xử lý trở thành tín hiệu điện sẽ được đưa đến bộ phát quang.Các tín hiệu điện đưa vào bộ phát quang được điều chế quang theo nhiềuphương pháp điều biến khác nhau để thu được tín hiệu quang Tín hiệu quangnày sẽ được ghép vào sợi quang để truyền đi tới phía thu Phần tử quan trọngnhất của thiết bị đầu cuối phát quang là bộ phát quang hay là bộ biến đổi điệnquang E/O, linh kiện được sửu dụng làm nguồn quang là các diode phát xạánh sáng LED và diode Laser bán dẫn LD

Môi trường sợi quang: Là môi trường truyền dẫn ánh sáng (tín hiệu đã

được điều chế quang) từ đầu phát tới đầu thu Trong quá trình truyền dẫn này,

do đặc tính quang học của ánh sáng và sợi quang mà tín hiệu quang bị suy

Trạm lặp

Bộ chia quang

Các thiết bị khác

Thu Quang

Phát quang Mạch điện

Khuếch

Đầu thu quang Khôi phục tín hiệu

Khôi phục tín hiệu

Khuếch đại

Nguồn phát quang

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Mạch điều khiển

Mối hàn sợi

Bộ nối qua ng

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang

giảm (suy hao và tán sắc) Cự ly truyền dẫn càng dài thì ánh sáng bị suy giảmcàng mạnh, điều này dẫn đến khó khăn khi khôi phục tín hiệu ở phía thu Dovậy, trên tuyến truyền dẫn thông tin quang, thường có các bộ khuếch đại tínhiệu quang và các trạm lặp nhằm tái tạo lại tín hiệu bị suy giảm trên đườngtruyền.

Phía thu: Tín hiệu thu được từ môi trường truyền dẫn sẽ được bộ thu

quang tiếp nhận Tại đây, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược trở lại thànhtín hiệu điện như tín hiệu phát ban đầu Cuối cùng ta thu được tín hiệu cầnthông tin Phần tử quan trọng nhất của thiết bị đầu cuối thu quang là bộ thuquang hay bộ biến đổi quang điện O/E Đó là các photodiode PIN hay thácAPD

Trạm lặp: Khi truyền trên sợi quang công suất sợi quang bị suy yếu

dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly quá dài thì tín hiệu quang này sẽkhông đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thukhông nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp Chức năng chính củatrạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu ,tái tạo chúng trở lại tín hiệuđiện.Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửadạng,chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang và cuối cungđưa tín hiệu này lên đường truyền để truyền tiếp lên đầu thu

Như vậy tín hiệu ở ngõ vào và ra ở trạm lặp đều ở dạng quang và trongtrạm lặp có cả khối O/E và E/O

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550 nm thấp hơn rất nhiều sovới vùng 1310nm, hơn nữa bộ khuếch đại quang EDFA làm việc tại vùng này,

Lớp vỏ Lớp phủ Lớp bọc lõi

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang

nên sợi quang dịch tán sắc DSF (tuân theo khuyến nghị G.653) ngày càng ứngdụng nhiều hơn

Sợi quang dịch tán sắc có tán sắc bằng không ở bước sóng 1550 nm.Sợi quang này phù hợp cho các hệ thống ghép mật độ thưa, hoặc hệ thốngkênh mật độ khá cao, cự ly lớn, nhưng không thích hợp cho các hệ thống ghépkênh mật độ cao DWDM vì hiệu ứng trộn tần 4 sóng xảy ra rất mạnh Sợiquang NS-DSF (tuân theo khuyến nghị G655) có mức tán xạ thấp ở cửa sổthứ 3 Loại sợi này rất phù hợp cho công nghệ DWDM cự ly dài

1.2.1.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang

1) Cấu tạo

Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm hai lớp chính từ các chất điệnmôi đồng tâm nhau Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài gọi là lớp vỏ(clading) Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài Chất điện môi chếtạo sợi quang phổ biến là thuỷ tinh thạch anh (SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp

Sợi quang từ thuỷ tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường kính nhỏ,giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính lớn hơn và tiêu haolớn hơn, giá thành thấp Chiết suất của lớp lõi sợi quang là n1 lớn hơn chiếtsuất lớp vỏ là n2 (n1> n2)

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợiquang còn được bọc thêm một vài lớp nữa:

- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating)

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating).

2) Phân loại

n

C

V 

a) Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang:

Sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗnhợp, sợi quang làm bằng chất dẻo

b) Phân loại theo phân bố chiết suất:

- Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index)

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏbọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồnquang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đườngkhác nhau trong lõi: tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung

dễ bị méo dạng

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời giantruyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiệntượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xungánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớnnên sợi SI không thể truyền tín hiệu số (digital) tốc độ cao qua cự ly dàiđược Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suấtgiảm dần

-Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, lõi có chỉ số khúc

xạ giảm dần từ trong ra ngoài vỏ (cladding) Vì chiết suất lõi thay đổi mộtcách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đường truyền của

n

n2

n 2

n1 > n2

Hình 1.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy

bậc (SI)

Hình 1.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục

là lớn nhất, các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding Các tia lantruyền theo đường cong, và chùm tia hội tụ tại 1 điểm, vì vậy xung ít bị méodạng

Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thìđường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia nàybằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

c) Phân loại theo mode truyền lan

- Khái niệm mode

Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi

quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn định của các đường này được gọi là các mode sóng Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng Chúng ta dùng từ bậc (order)

để chỉ các mode Quy tắc như sau: góc lan truyền của mode càng nhỏ thì bậc của mode càng thấp Rõ ràng mode lan truyền dọc theo trục trung tâm của sợi

quang là mode bậc 0 và mode với góc lan truyền là góc tới hạn là mode bậccao nhất đối với sợi quang này Mode bậc 0 được gọi là mode cơ bản

- Sợi đa mode (MM: Multimode)

Ðặc điểm của sợi đa mode là truyền đồng thời nhiều mode sóng

Trong sợi đa mode, dựa vào sự phân bố chiết suất lõi sợi người ta chiara:

+ Sợi có chiết suất nhảy bậc (hay chiết xuất bước) – Sợi SI: Multimode

stepped index.

+ Sợi có chiết suất giảm dần (hay chiết suất liên tục) – Sợi GI:

Multimode graded index.

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50m

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m

- Độ chênh lệch chiết suất: = 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46

Sợi đa mode thường được sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảngcách ngắn:

+ Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soitrong

+ Graded index: thường dùng trong các mạng LAN

- Sợi đơn mode (SM: Single Mode)

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyềnđược trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ truyền một modesóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có

hệ số khúc xạ thay đổi từ lõi ra vỏ (cladding) nhưng ít hơn sợi multimode

Hình 1.5 Cấu trúc sợi đa mode

Các tia truyền theo phương song song với trục, xung nhận được hội tụ tốt, ítméo dạng

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 9m  10m

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m

- Độ lệch chiết suất:  = 0,003 = 0,3%

- Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng  = 1300nm

độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0) Do đó dải thông của sợi đơnmode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kíchthước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nốisợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều cóthể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

1.2.1.2 Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng

1 Lý thuyết quang hình.

Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện ợng khúc xạ trong lõi sợi và phản xạ toàn phần sóng ánh sáng trên bề mặtphân chia giữa lớp lõi và vỏ của sợi quang

Hình 1.6 Cấu trúc sợi đơn mode

Để giải thích hiện tượng trên, ta hãy xét sự phản xạ và khúc xạ sóngánh sáng trên bề mặt phân chia giữa hai môi trường điện môi có chiết suấtkhác nhau là n1 > n2 khi sóng ánh sáng truyền từ môi trường 1 sang môi trư-ờng 2 Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vôhạn Hình 2.6 bên mô tả hiện tượng này dựa trên lý thuyết quang hình.

Quan hệ giữa góc tớit, góc khúc xạ k với các chiết suất n1 và n2

tuân theo định luật khúc xạ (tia số 1) :

n1.sint=n2.sink (1.1)Khi tăng góc tới t đến một giá trị  0 nào đó thì tia khúc xạ không đivào môi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách hai môitrường (tia số 2), góc  0 được xác định tương ứng với k=900

Nếu tiếp tục tăng góc t> 0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiệntượng phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc  0 gọi là góc tới hạn Người taứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quangkhi đó ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trênmặt phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang Để biểu diễn và phân tích sựtruyền dẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp

quang hình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng Chính xácnhất là sử dụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp.

Theo định luật khúc xạ ta có:

n0.sini = n1.sinr (1.4)

Trong đó n0 là chiết suất của không khí, ilà góc tới, rlà góc khúc

xạ, a là bán kính lõi sợi quang Giả sử  0 là góc tới hạn, nếu  > 0 thì tiasáng đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợiquang mà không đi ra ngoài

Theo công thức (1.4) ta có  0= arcsin(n2/n1) khi đó góc khúc xạ tươngứng với góc tới hạn  0 là r0= 900 -  0 Do vậy góc tiếp nhận i0 tới hạn sẽthoả mãn điều kiện:

n0.sini0 = n1.sinr0 = n1.sin(900 -  0) = n1.cos 0

=> n0.sini0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2

2 2

1 n

n  (1.5)

NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợiquang i0 sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện củasợi quang với góc i>i0 nằm ngoài hình nón sẽ không truyền trong lõi mà

đi ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nónkhi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ vàtruyền dọc theo sợi quang theo đường dịch rắc Gọi  là độ lệch chiết suấttương đối ta có:

Hình 1.8 Truyền sóng ánh sáng trong sợi SI

=

1

2 1

2 ) ).(

(

2 1

2 1 1 2

1

2 1 2 1 2

1

2 2

2

1

n

n n n n

n n n n n

n

n

=>NA=n1 2  (1.6)

2 Các thông số của sợi quang

Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tínhiệu điện Biếu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

P1 = P0: công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L): công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

(1.9)Trong đó:

z P

z

) (

P

P dB

) (

) ( ) / (

km L

dB A km

dB 



A: suy hao của sợiL: chiều dài sợi

1.2.1.3 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

1 Sự tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bịbiến dạng hiện tượng này gọi là sự tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệuanalog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chếdải thông của đường truyền dẫn quang

Các nguyên nhân gây ra tán sắc:

a)Tán sắc mode (modal dispersion)

Do năng lượng ánh sáng phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lạitruyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau

Sự phụ thuộc của dmodvào số mũ g: dmod đạt cực tiểu khi g ~ 2 và dmod

tăng khá nhanh khi g có giá trị khác 2 về hai phía Đây là một yêu cầunghiêm ngặt trong quá trình chế tạo sợi GI

Tán sắc thể mode (dmod) thay đổi theo dạng chiết suất

b) Tán sắc thể (chromatic dispersion)

Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm mộtkhoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhaunên thời gian truyền cũng khác nhau

2,2 2,0 1,8 1,6 0,01 0,1 1

g

dmod (ns/km)

c) Tán sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền củaánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gâynên tán sắc chất liệu

Về mặt vật lý, tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi

nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc dochất liệu D là ps/nm.Km

Ở bước sóng 850nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 90  120ps/nm.Km Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ  = 50nm thì

độ nới rộng xung khi truyền qua mỗi Km là:

Dmat = M  

Dmat = 100ps/nm.Km  50nm = 5ns/KmCòn nếu nguồn quang là Laser Diode có  = 3nm thì độ nới rộngxung chỉ khoảng 0,3ns/Km

Ở bước sóng 1300nm tán sắc do chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóngnhưng ngược dấu nên tán sắc thể bằng không

Tán sắc sắc thể Tán sắc chất liệu

1300 -8

Hình 1.10 Tán sắc chất liệu, tán sắc dẫn sóng và tán

sắc sắc thể thay đổi theo bước sóng

Do đó bước sóng 1300nm thường được chọn cho các đường truyền tốc

Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode

e) Tán sắc thể của các loại sợi

Trong đó:

1- Sợi bình thường (G652) 2- Sợi dịch tán sắc (G653) 3- Sợi san bằng tán sắc

2 Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu.Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy haotrong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang

a) Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang Là tham số đóng vai trò quantrọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát và

2 1

3 1300

1600

 (nm)

12 8 4 0 -4 -8 -12

dchr(ps/nm.km)

Hình 1.11 Tán sắc thể của các loại sợi

phía thu Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao dotán xạ và suy hao do bức xạ Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ sốsuy hao α và được tính theo công thức sau:

P

L log

10

(1.10)Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là công suất quang đầu vào,

Pout là công suất quang đầu ra, α được tính theo dB/km Suy hao trong sợiquang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh

b) Suy hao do hấp thụ vật liệu.

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bảnchất suy hao của sợi quang Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử

c) Suy hao do tán xạ.

Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ Đó là do

có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặccác khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang

Ánh sáng truyền trong sợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán

xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấpvới kích thước của cơ cấu tán xạ Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 củabước sóng (α4)

d) Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kì một sợi quang nào bị uốncong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gâynên suy hao tín hiệu

Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốn cong vi mô.Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tới lớn hơn góctới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong

+ Uốn cong vĩ mô:

Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đườngkính sợi Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn.

+ Uốn cong vi mô:

Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợpnày hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp

1.2.2 Bộ phát quang

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thốngthông tin quang Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổithành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp

Sơ đồ khối máy phát quang được mô tả hình 1.12

1.2.2.1 Bộ điều khiển.

Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp một năng lượngđiện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó Các mạch này thường kháđơn giản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phát quang (LED)nhưng lại khá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụngnguồn quang là bán dẫn laser, bởi vì nguồn phát quang sử dụng bán dẫn laserthì mạch điện điều khiển cần cung cấp một thiên áp cố định và mạch ổn địnhđiểm làm việc và ổn định nhiệt cho laser

1.2.2.2.Nguồn quang

Hình 1.12 Sơ đồ khối bộ phát quang

Bộ nối quang

Bộ điều

khiển

Điều chế

Nguồn quang

Tín hiệu đầu vào

Tín hiệu đầu ra

Các bộ phát quang hiện nay thường sử dụng nguồn quang là laser phảnhồi phân tán DFB (Distributed Feedback laser) và laser phản xạ Bragg phân

bố (Distributed Bragg Reflector Laser) Nhìn chung các nguồn quang phảiđảm bảo một số yêu cầu như sau: độ chính xác của bước sóng phát, độ rộngđường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bước sóng,tính tuyến tính và nhiễu thấp

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một

hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động

do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàngtách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ

rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênhtrên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ chonên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lâncận (ICI) xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng.Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (nhưcác loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồiphân bố)

- Dòng ngưỡng thấp: Đối với laser , phát xạ kích thích không thể bắt

đầu cho đến khi dòng định thiên cao hơn giá trị dòng ngưỡng Ith, công suấtđầu ra tỉ lệ với (I-Ith) với I là dòng định thiên Do đó, dòng ngưỡng thấp hơncho phép dòng định thiên nhỏ hơn đối với cùng một công suất đầu ra Nhưngquan trọng hơn là nếu dòng ngưỡng thấp sẽ đảm bảo công suất nền thấp Điềunày làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũngnhư giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránh cho máy thu chịuảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn) Nếu công suấtnền gửi trên đường truyền quá lớn sẽ không có lợi cho hệ thống, vì như đãbiết công suất quang truyền dẫn trên sợi (tổng công suất của các bước sóng

ghép) càng lớn thì ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến càng lớn, sẽ ảnh hưởngxấu tới chất lượng hệ thống.

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần

sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệthống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của

nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyênnhiễu giữa các kênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh

mode, nhiễu pha, nhiễu MPN Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mứcBER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

1.2.2.3 Bộ điều chế.

Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệthống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài

1.2.2.4 Bộ nối vào kênh quang.

Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ

có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớnnhất có thể

1.2.3 Bộ thu quang.

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong

hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tínhiệu trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạngban đầu

Tín hiệu điệnGiải điều

chế

Các mạch điện tử

Tách sóng kênh

Nối vào kênh

Tín hiệu

quang

Hình 1.13 Sơ đồ khối bộ thu quang

Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên

nó sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động của thiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyềndẫn Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độ

nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao Cấu hình

của một thiết bị thu quang được mô tả qua Hình 1.13

1.2.3.1 Bộ nối vào kênh.

Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bịthu quang thực hiện chức năng ngược lại

1.2.3.2 Bộ tách sóng quang.

Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ bộ nối vào kênhthành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầu của thiết bị phátquang Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông thường là cácphotodiode Hiện nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode-thác APD hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện

1.2.3.3 Khối giải điều chế.

Thường sử dụng hai phương pháp giải điều chế là IM/DD và tách sóngCoherent Đối với phương pháp IM/DD thì khối giải điều chế suy biến vàotrong bộ tách sóng, khi đó không cần sử dụng các mạch điện tử phụ bênngoài Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế là một khối riêngbiệt kết hợp sử dụng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chế kết hợp giữa thu

và phát, duy trì việc đồng bộ sóng mang quang

1.2.3.4 Độ nhạy của thiết bị thu quang.

Là mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhậnđược tại điểm tham chiếu trên sợi quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu

mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bít (BER) xác định trước Đây là yếu tốquan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của hệ thống thông tinquang

1.2.4 Các trạm lặp.

Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự ly truyền dẫn dài, số trạmlặp tuỳ theo khoảng cách cự ly truyền dẫn, loại điện quang Ta có sơ đồ khốicủa trạm lặp như sau:

Tín hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang điện (O/E) để biến đổi thànhtín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa méo để khôiphục lại cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ biến đổi điệnquang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.3.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Trong hệ thống thông tin quang, tín hiệu được truyền có thể là dạnganalog hoặc dạng số Tương ứng chúng ta sẽ có hệ thống quang analog hoặc

hệ thống quang số

Trong trường hợp analog, tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian Ví

dụ như tín hiệu tiếng nói được chuyển đổi từ micro hoặc tín hiệu hình ảnhđược chuyển đổi từ camera

Ngược lại, tín hiệu số là tín hiệu có giá trị rời rạc Với tín hiệu số nhịphân chỉ được biểu diễn 2 giá trị

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiệnnay sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫncòn dùng hệ thống thông tin quang tương tự Ví dụ như hệ thống truyền hìnhcáp

1.3.2 Phân loại theo chuẩn ghép kênh

Về lý thuyết, dung lượng của hệ thống thông tin quang có thể đạt hơn10Tbit/s vì sóng mang là ánh sáng có tần số lớn Tuy nhiên, thực tế tốc độ bit

bị giới hạn ở giá trị 10Gbit/s do tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, và tốc độ hoạt

O/E

Khuếch đại và sửa méo

Biến đổi E/O

Sợi quang

Hình 1.14 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang

động của linh kiện điện tử Cho đến năm 1995, việc truyền dẫn nhiều kênhánh sáng trên cùng một sợi quang có thể thực hiện cho phép mở rộng dunglượng hệ thống đến 1Tbit/s Việc ghép kênh có thể thực hiện trong miền thờigian hoặc trong miền tần số Cụ thể, trong miền thời gian chúng ta có ghépkênh phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing) và trongmiền tần số chúng ta có ghép kênh phân chia theo tần số FDM (frequencydivision multiplexing) Kỹ thuật TDM và FDM được sử dụng trong miềnđiện Tuy nhiên cũng có thể thực hiện ghép kênh TDM và FDM trong miềnquang với tên gọi là OTDM (optical TDM), OFDM ( optical FDM) và WDM(wavelength division multiplexing) để phân biệt với ghép kênh trong miềnđiện.

Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát một số hệ thống được phân loại theophương pháp ghép kênh

a) Ghép kênh theo bước sóng WDM

Do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thôngtin cáp sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn củasợi quang Để tận dụng băng thông, người ta đã tiến hành ghép các luồng ánhsáng có bước sóng khác nhau và truyền đi trên một sợi quang Về lý thuyết,

có thể truyền một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phátquang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau Ở phía thu có thể thuđược các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhaunày

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng cho phép tăng dung lượng truyềndẫn quang mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không cầntăng thêm số sợi quang

b) Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang OFDM

Phương pháp ghép kênh theo tần số quang được thực hiện bằng cáchchia dải tần của sóng quang thành một số kênh thông tin riêng biệt, các kênhquang tương ứng với các tần số sóng mang khác nhau sẽ được biến đổi thànhcác luồng song song cùng truyền đồng thời trên một sợi quang

Tần số của các nguồn phát quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần

số quang (OFDM) phải rất ổn định, các bộ khuyếch đại quang dải rộng phảiđảm bảo khuyếch đại đồng đều tất cả các kênh Các thiết bị quang thụ độngdùng để kết hợp các tín hiệu OFDM riêng rẽ cũng rất quan trọng, thường phải

sử dụng các bộ lọc quang thật chính xác Phổ biến hiện nay là các bộ lọcquang 100 kênh có thể tạo ra khoảng cách kênh từ 5 đến 10 GHz dựa trênhiệu ứng quang phi tuyến của các loại vật liệu bán dẫn hay các vật liệu điệnmôi Dải dịch tần số quang hiện nay có thể đạt được khoảng 1000 GHz

c) Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM

Trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian, tín hiệu quang trên một sợicáp được chia sẻ với nhiều kênh thông tin thông qua việc phân chia thời gian.Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tín hiệu quangđược điều chế lần lượt với tín hiệu từ các kênh thông tin tương ứng Độ rộngcủa mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹ thuật khácnhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liên kết

f

C O M B I NE R

POWERDIVIDER

LASER

OPTICAL DETECTOR

Sn

S2

S1 Giải Điều chế

f1

f2

Giải Điều chế

fn

Giải Điều chế

Mỗi kênh truyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là mộtkênh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tớiđích Dữ liệu từ các nguồn khác không được phép truyền trong suốt thời giannày Thiết bị ghép kênh ở phía phát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khácnhau vào sợi cáp trong các khe thời gian tương ứng Thiết bị tách kênh ở phíathu sẽ nhận dạng các khe thời gian, đưa dữ liệu dưới dạng các dòng liên tục

ra các kênh quang riêng rẽ như ở đầu vào bộ ghép kênh ở phía phát

Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của mộtkênh cáp quang đơn lên trên 10 Gb/s Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trênđang dần dần thay thế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s Với các tốc độ nhỏ hơn

10 Gb/s, các đặc tính chủ yếu của sợi quang ít ảnh hưởng đến chất lượngtruyền dẫn, còn với các hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thì phảiquan tâm đến những ảnh hưởng của các đặc tính của sợi quang Mặc dù các

hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chóng được sử dụng rộng rãi và các nhà khoa họccũng đang nghiên cứu để đạt đến tốc độ 100 Gb/s, nhưng việc tăng tốc độhơn nữa là không dễ dàng Đó là do các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi côngnghệ điện tử phức tạp và đắt tiền

Sîi quang

Tín hiệu

Nguồn

phát

Chia quang

§iÒu chÕ

§iÒu chÕ

§iÒu chÕ

Ph¸t xung nhÞp

T¸ch kªnh

K§

quang

GhÐp quang

1.3.3 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầuthu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụngphương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điệnđưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầuthu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộnquang trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ratín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi

+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầuphát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang củanguồn quang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệuquang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi

1.3.4 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống

có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung

kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến

Hệ thống thông tin quang sợi có các ưu điểm sau :

1- Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng tần rất lớn Suy hao củacác loại sợi quang hiện nay cỡ từ 0,2 ÷0,5 dB/km, còn cáp đồng trục là cỡ 20dB/km Độ rộng băng của cáp đồng trục cỡ vài chục đến trăm MHz, trong khi

đó của sợi quang lên đến hàng THz Do đó thông tin quang có thể truyền dẫn

tín hiệu băng rộng có tốc độ bít cao, dung lượng lớn, trên cự ly rất dài vàkhoảng cách giữa các trạm lặp lớn, tiết kiệm giá thành

2- Kích cỡ và trọng lượng của cáp quang nhỏ nhiều so với cáp đồngtrục Điều này thuận tiện cho triển khai lắp đặt tuyến và tiết kiệm giá thànhthi công

3- Độ cách điện tốt Sợi quang chế tạo từ vật liệu điện môi, nên có độcách điện tốt, không cần thiết phải tiếp đất, xuyên âm từ sợi quang khá nhỏ,các vấn đề liên quan đến giao diện của sợi quang trở nên khá đơn giản, cóthể triển khai lắp đặt cáp quang trên đường dây cao áp

4- Chống can nhiễu và bảo mật tốt Sợi quang không bị can nhiễu điện

từ vì làm việc với tín hiệu ánh sáng và có khả năng chống sét tốt Tín hiệuánh sáng truyền trên sợi quang không bị rò rỉ ra ngoài vì có lớp vỏ hấp thụ hếtcác bức xạ ra ngoài, nên có tính bảo mật thông tin tốt Điều đó làm cho nó trởnên hấp dẫn với các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh và quốc phòng

5- Tính an toàn:vì sợi quang là chất điện môi nên nó không dẫn điện6- Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng hầu hếtcho các dạng thông tin số liệu, thoại và video

7- Tiết kiệm nguyên vật liệu Cáp sợi quang sản xuất từ vật liệu phikim loại, nên có sẵn và giá rẻ, tiết kiệm một lượng lớn kim loại đắt như đồng

và nhôm

1.4.2 Nhược điểm

1- Công nghệ chế tạo sợi quang và các linh kiện thu phát rất hiện đại,nên giá thành còn cao tuy nhiên theo thời gian và do tiến bộ của công nghệkhi khối lượng sản phẩm sản xuất ngày càng lớn, thì giá thành của cáp và cáclinh kiện hệ thống sẽ giảm dần

2- Dòn, dễ gãy.Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từthủy tinh nên dòn và dễ gãy Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nốigặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có các thiết bị chuyên dụng

3- 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

4- Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắtvào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiên nào phát hiện mảnhthủy tinh trong cơ thể

1.5 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Các phương hướng phát triển của thông tin quang sợi là:

1- Tăng cường dung lượng và tốc độ bit truyền trên một tuyến sợiquang nhờ sử dụng các công nghệ mới ghép kênh miềm tần số quang nhưWDM, OTDM

2- Nâng cao độ nhạy của máy thu quang làm việc ở tốc độ bít cao nhờcông nghệ bộ khuyếch đại quang

3- Phát triển công nghệ mạch tổ hợp quang điện OEIC và quang tíchphân

4- Hoàn thiện và đa vào sử dụng trong thực tế kỹ thuật hệ thống thôngtin quang phi tuyến Soliton

5- Xây dựng các mạng thông tin toàn quang với các phần tử nút mạngđáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra

CHƯƠNG II:

CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN WDM 2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG WDM

2.1.1 Giới thiệu chung

Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càngnhanh chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêucầu về chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn

Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầutính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiêncứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến côngnghệ WDM, OTDM, Soliton

Phương pháp ghép kênh theo bước sóng quang WDM (WavelengthDivision Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộngtrong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Ghép kênh theo bướcsóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phảităng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng Do đó, WDM chính là giảipháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyềndẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM là công nghệ truyềnđồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang, với dung lượng trênmỗi bước sóng quang điển hình là 2,5 Gbps Số lượng ghép thường là (2 – 16)bước sóng (trong tuơng lai, con số này còn lớn hơn) Ở đầu vào, các bướcsóng quang mang thông tin (các kênh quang) được ghép trên cùng một sợiquang và được truyền dẫn tới đầu thu Tại đầu thu, các bước sóng ghép đóđược tách ra bằng các bộ tách kênh quang Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể

có các bộ khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn Công nghệ này thực

sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà không quá phức tạp

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch

vụ băng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiệntruyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp

sợi quang nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó làcông nghệ đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.

2.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng vàsong hướng

Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy,

để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM songhướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang

để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

2.1.2.1 Hệ thống WDM đơn hướng

Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau 1,

2, , N Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghépvào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghéplại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), bộ ghép bước sóng phải đảm bảo cósuy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi quang tớiphía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại cácluồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghépbước sóng (DE-MUX)

Hình 2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM đơn hướng

Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồnquang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phảinhạy với độ rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phảithực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế

.

N

.

.

12 N

12 N

M U X

D E M U X

các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải

có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định

2.1.2.2 Hệ thống ghép WDM song hướng

Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang đơnhướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệutruyền trên sợi quang theo một hướng Ngoài ra người ta có thể thực hiệntruyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng trên cùng một sợi quang

Trong hệ thống truyền dẫn song hướng, n kênh quang có bước sóng 1,

2, …, N được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác cóbước sóng ’

1, ’

2, …, ’

N được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lạitrên cùng sợi quang Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộngphổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh

Hình 2.2 Hệ thống ghép bước sóng song hướng

2.1.2.3 So sánh hai hệ thống

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng côngnghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánhhai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dunglượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cầndùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kếhơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiềubước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng

DE-Sợi dẫn quang

1,2, N

’1, ’

2 ,  ’ N

DE-MUX

1

RxN

N