Giáo trình Thông tin quang (Trình độ: Trung cấp)

cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện. - Tính bảo mật Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Do không chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading và do có tuổi thọ cao nên yêu cầu về bảo dưỡng đối với hệ thống quang là ít hơn so với các hệ thống khác. - Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, E1/T1, E2/T2, E3/T3, SONET/SDH, thoại 2/4 dây. - Tính mở rộng Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ E1/T1 (2,048 Mbps/1,544 Mbps) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 145 bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống cáp sợi quang có thế vẫn được giữ nguyên như cũ. - Sự tái tạo tín hiệu : Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laser. Ngoài những ưu điểm trên của sợi quang nói chung, công nghệ FTTx còn có một số ưu điểm khác. Với công nghệ FTTH, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tốc độ download lên đến 10 Gbps, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+. Tốc độ truyền dẫn với ADSL là không cân bằng, có tốc độ tải lên luôn nhỏ hơn tốc độ tải xuống. Còn FTTH cho phép cân bằng, tốc độ tải lên và tải xuống như nhau và cho phép tối đa là 10 Gbps, có thể phục vụ cùng một lúc cho hàng trăm máy tính. Tốc độ đi Internet cam kết tối thiểu của FTTx ≥ 256 Kbps. Bảng 5.2. So sánh giữa FTTx và ADSL Yếu tố so sánh ADSL FTTx Môi trường truyền tín hiệu Cáp đồng Cáp quang Độ ổn định Dễ bị suy hao do điện từ, thời tiết, chiều dài cáp Không bị ảnh hưởng Bảo mật Độ bảo mật thấp, dễ bị đánh cắp tín hiệu đường dây Độ bảo mật cao không thể đánh cắp tín hiệu trên đường truyền Tốc độ truyền dẫn(Upload và download) Bất đối xứng: Download>Upload Tốc độ tối đa là 20Mbps Cho phép cân bằng: Upload=Download Tốc độ tối đa là 10Gbps Khả năng đáp ứng dịch vụ băng rộng: Hosting sever riêng, VPN, hội nghi truyền hình Không phù hợp vì tốc độ thấp Rất phù hợp vì tốc độ rất cao và có thể tùy biến tốc độ ➢ Nhược điểm Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 146 Mạng quang nói chung và công nghệ FTTx nói riêng có rất nhiều ưu điểm nhưng không tránh khỏi những nhược điểm. Mặc dù sợi quang rất rẻ nhưng chi phí lắp đặt, bảo dưỡng, thiết bị đầu cuối lại lớn. Hơn thế nữa, do thiết bị đầu cuối còn khá đắt cho nên không phải lúc nào hệ thống mạng FTTx cũng phù hợp. Đối với những ứng dụng thông thường, không đòi hỏi băng thông lớn như lướt Web, mail thì cáp đồng vẫn được tin dùng. Do đó càng ngày người ta càng cần phải đầu tư nghiên cứu để giảm các chi phí đó. 5.1.4. Ứng dụng của FTTX Những tính năng vượt trội của FTTx cho phép sử dụng các dịch vụ thoại, truyền hình, internet từ một nhà cung cấp duy nhất với một đường dây thuê bao duy nhất. Điều đó tạo nên sự thuận tiện không chỉ trong việc nhỏ gọn về thiết bị, đường dây, chi phí mà điều quan trọng là nó mang lại chất lượng đường truyền tốt nhất. Công nghệ đáp ứng điều đó được triển khai trên nền mạng FTTx chính là IPTV. IPTV (Internet Protocol TV) là dịch vụ truyền hình qua kết nối băng rộng dựa trên giao thức Internet. Đây là một trong các dịch vụ Triple - play mà các nhà khai thác dịch vụ viễn thông đang giới thiệu trên phạm vi toàn thế giới. Hiểu một cách đơn giản, Triple - play là một loại hình dịch vụ tích hợp 3 trong 1: dịch vụ thoại, dữ liệu và video được tích hợp trên nền IP (tiền thân là từ hạ tầng truyền hình cáp). IPTV đã và đang phát triển với tốc độ rất nhanh. Tại Việt Nam, IPTV đã trở nên khá gần gũi đối với người sử dụng Internet tại Việt Nam. Các nhà cung cấp như FPT, VNPT, SPT, VTC đã đưa IPTV, VoD... ra thị trường nhưng ở phạm vi và quy mô nhỏ. 5.2. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) 5.2.1. Sơ đồ khối tổng quát a) Định nghĩa: Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang. Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được ghép kênh để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được tách kênh khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau. b) Sơ đồ chức năng: Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 147 Hình 5.2. Cấu trúc hệ thống WDM Khối phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser. Hiện đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)... Yêu cầu đối với nguồn phát Laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định; mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ nằm trong giới hạn cho phép. Khối ghép/tách tín hiệu (MUX/DEMUX): Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, tính đồng đều của kênh, các loại suy hao Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...). Khối khuếch đại tín hiệu: dùng để bù suy hao trong quá trình truyền. Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Bộ khuếch đại cần có độ lợi đồng đều với các kênh bước sóng. Khối thu tín hiệu: cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD. c) Phân loại hệ thống WDM: Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 5.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 148 quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm. Hình 5.3. Phân loại hệ thống WDM Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: • Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. • Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức. • Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng • Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 149 5.2.2. Đặc điểm của hệ thống a) Ưu điểm: Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s). Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao. Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play). Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại. Giảm chi phí đầu tư mới. b) Nhược điểm: Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn. Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 150 5.3.Mạng WDM 5.3.1. Một số thành phần chính trong mạng WDM 5.3.1.1. Thiết bị OADM Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc ghép một số kênh xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết bị xen/rẽ. Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh hoạt hơn. Hình 5.4. Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) 5.3.1.2. Thiết bị OXC Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ không theo báo hiệu trong mạng. Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong khoảng thời gian tính bằng giây. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 151 Hình 5.5. Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang Bộ đấu nối chéo quang (OXC) được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độ duy trì mạng cao. Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục. Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt. Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành. Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần. Một số chức năng của OXC hiện nay: - Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng. - Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có. - Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng - Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng. - Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng. Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang). Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 152 nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này. Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5 Gbit/s. Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các thiết bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng nặng,... và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ để giải quyết những nhược điểm trên. Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên. Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện. Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính: a) OXC chuyển mạch sợi (FXC) Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự động. FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó cũng rẻ hơn). Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC có thể là một giải pháp hợp lý. Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện tại. Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới). Hình 5.6. OXC chuyển mạch a.OXC chuyển mạch sợi b.OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng c.OXC chuyển mạch trao đổi bước sóng Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 153 b) OXC lựa chọn bước sóng (WSXC) WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra. Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng. WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. Các kênh bước sóng có thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp. c) OXC trao đổi bước sóng (WIXC) WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác. Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra do sự cạnh tranh bước sóng. WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự phòng dịch vụ. 5.3.1.3. Bộ định tuyến AWG (Arrayed Waveguide Grating) Bộ định tuyến AWG là phần tử chìa khóa trong nhiều kiến trúc WDM-PON. Hình 5.7. Bộ ghép bước sóng thông thường và bộ AWG Trong hình a: Các thành phần của tín hiệu quang đầu vào được chuyển tới cổng đầu ra cụ thể tương ứng với bước sóng của chúng. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 154 Trong hình b: Một AWG thông thường bao gồm 2 bộ ghép hình sao liên kết với nhau thông qua ma trận ống dẫn sóng có chiều dài không bằng nhau. Mỗi ống dẫn sóng đều có liên quan đến ống dẫn sóng liền kề bởi độ lệch về chiều dài giữa hai ống dẫn sóng kế cận là không đổi. Các ống dẫn sóng này có chức năng như một cách tử quang học để làm phân tán những tín hiệu có bước sóng khác nhau. Tên gọi khác của AWG là bộ định tuyến bước sóng WGR (wavelength grating router). Một đặc điểm rất quan trọng và hữu ích của AWG là chu kỳ định tuyến bước sóng được minh họa trong bảng hình 5.7b. Với một bộ ghép kênh bước sóng bình thường, nếu một bước sóng nằm ngoài dải phạm vi bước sóng được gửi đến cổng đầu vào, thì tại đầu ra bước sóng này sẽ bị mất hoặc “block”. Thiết bị AWG có thể được thiết kế để đặc tính phân kênh theo bước sóng, lặp lại hết chu kỳ của dải quang phổ được gọi là dải quang phổ tự do (FSR). Hơn nữa, nếu đầu vào đa bước sóng bị dịch đến cổng đầu vào lân cận, thì bước sóng đầu ra sau khi phân kênh cũng bị dịch đến cổng đầu ra lân cận tương ứng. Cyclical AWG (AWG có đặc tính chu kỳ) cũng được gọi là AWG có tính trong suốt. Đặc tính bước sóng theo chu kỳ của AWG có thể được khai thác để dẫn đến nhiều đổi mới kiến trúc một cách nhanh chóng. Ví dụ, bằng cách sử dụng hai cổng liền kề cho các kết nối upstream và downstream, những bước sóng giống nhau có thể được tái sử dụng cho việc truyền tải và tiếp nhận tại cùng một ONU. 5.3.2. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều các yếu tố tác động. Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong các hệ thống đơn kênh. Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn WDM, bao gồm: - Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp các kênh càng gần nhau càng tốt. Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên, những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá gần nhau. - Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt. Độ rộng phổ nguồn laser càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn. Những đánh giá tương Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 155 tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn các thiết bị khác. Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và khoảng cách kênh. - Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc. Việc sử dụng sợi DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM. Có thể giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS. Trong các hệ thống có cự ly dưới 100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán sắc và bù tán sắc. Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại. Chi phí cho các bộ khuếch đại không phải là vấn đề chính. Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại. Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh. Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử dụng: - Công suất cực đại có ở các bộ phát. Đây thực ra là công suất đầu ra lớn nhất của một EDFA đặt tại bộ phát. Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng 200 mW nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng, thì giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W. - Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây ra những hạn chế lớn đối với lượng công suất có thể dùng cho mỗi kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố. - Vấn đề an toàn cũng rất quan trọng. Hầu như tất cả các hệ thống WDM đều được phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm và cần thiết phải có những hệ thống bảo an toàn được đặt ở những vị trí xác định có thể truy nhập hiệu quả chỉ riêng các dịch vụ có chất lượng. - Tạp âm: Như đã nói ở trên, tác động của sự tích luỹ tạp ASE được đánh giá chủ yếu là về khoảng cách bộ khuếch đại. - Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF. Tuy nhiên, sợi DSF lại làm tăng đáng kể các hiệu ứng FWM và SRS. Do đó ta nên dùng cả sợi tiêu chuẩn lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF). 5.4. AON và PON Như chúng ta đã biết, FTTX được xem như là một giải pháp hoàn hảo thay thế mạng cáp đồng hiện tại nhằm cung cấp các dịch vụ “triple play” và các các ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông (như chơi game trực tuyến hay xem video trực tuyến). Tuy Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 156 nhiên nhược điểm chính của FTTX đó là chi phí cho các linh kiện và cáp quang tương đối cao dẫn tới giá thành lắp đặt những đường quang như vậy là rất lớn. Có nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm này và một trong số đó là triển khai FTTX trên nền mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network). Hầu hết trong các mạng quang hiện nay, mỗi đường cáp quang từ nhà cung cấp sẽ được chia sẻ cho một số người sử dụng. Khi các đường cáp quang này được kéo tới phía người sử dụng, cần có 1 bộ chia quang để tách tín hiệu tới các sợi quang riêng biệt tới từng người sử dụng khác nhau. Vì thế, đã xuất hiện 2 kiến trúc điển hình trong việc chia đường cáp quang là mạng quang tích cực AON (Active Optical Network) và mạng quang thụ động PON. 5.4.1. Mạng AON AON (Active Optical Network - mạng quang chủ động) là kiến trúc mạng điểm - điểm (point to point), thông thường mỗi thuê bao có một đường cáp quang riêng chạy từ thiết bị trung tâm (Access Node) đến thuê bao như hình 5.8. Hình 5.8. Sơ đồ mạng AON Ngoài mô hình trên, trong thực tế tùy vào nhu cầu băng thông thuê bao, các nhà cung cấp cũng kết hợp cáp quang với cáp đồng để giảm chi phí, cụ thể như cáp quang chạy từ Access Node tới tổng đài DSLAM và từ DSLAM cung cấp các dịch vụ truy cập băng rộng phổ biến như ADSL2+, VDSL2 AON có nhiều ưu điểm như: tầm kéo dây xa, lên đến 70km mà không cần bộ lặp (repeater); tính bảo mật cao, do việc can thiệp nghe lén (eavesdropping) trên đường truyền gần như là không thể; dễ dàng nâng cấp băng thông thuê bao khi cần; dễ xác định lỗi Tuy nhiên, công nghệ AON cũng có khuyết điểm là chi phí cao do: việc vận hành các thiết bị trên đường truyền đều cần nguồn cung cấp, mỗi thuê bao là một sợi quang riêng, cần nhiều không gian chứa cáp Một nhược điểm rất lớn nữa của mạng AON chính là ở thiết bị chuyển mạch. Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 157 thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngược lại để truyền đi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTX. Ngoài ra do đây là những chuyển mạch có tốc độ cao nên các thiết bị này rất đắt, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập. 5.4.2. Mạng PON Mạng quang thụ động (PON) ban đầu được phát triển trong thập niên 1980, và là một phương pháp kinh tế để chia sẻ cơ sở hạ tầng cáp quang cho điện thoại băng hẹp (TPON) cho các cơ sở kinh doanh. Kể từ đó những ứng dụng của PON đã phát triển để có thể tương tác với các mạng băng rộng như BPON (Broadband PON), Ethernet PON (EPON) và GPON (Gigabit PON). Trong mạng PON, tất cả các thành phần chủ động giữa tổng đài CO và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, điều khiển lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lượng của các bước sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đường truyền. Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ không còn cần đến năng lượng và các thiết bị chủ động trên đường truyền nữa. Các bộ ghép / tách thụ động chỉ làm các công việc đơn thuần như cho đi qua hoặc ngăn chặn ánh sáng Vì thế, không cần năng lượng hay các động tác xử lý tín hiệu nào và từ đó, giảm chi phí bảo trì tổng thể cho các nhà cung cấp dịch vụ. Mạng quang thụ động (PON) được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu phát và sợi quang trong mạng thông tin quang FTTX. PON là một mạng điểm tới đa điểm; một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminal) đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao. Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động. Kiến trúc của PON được mô tả như trong hình 5.9. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 158 Hình 5.9. Mạng PON OLT (Optical Line Terminal – kết cuối đường quang) bao gồm các khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các NE (Network Element – phần tử điều khiển). OLT được đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, còn các ONT (Optical Network Terminal – kết cuối mạng quang) được đặt phía người sử dụng. OLT cung cấp nhiều kênh quang, mỗi kênh quang được truyền trên một tuyến cáp quang trên đó có bộ chia. Nhiệm vụ của bộ chia là thu và nhận các tín hiệu quang được nhận và phát bởi OLT. Cáp quang truyền từ OLT sẽ trải dài và kết nối tới mỗi ONT. Các bước sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tùy theo lựa chọn) được dùng cho băng thông chiều xuống từ OLT, trong đó các bước sóng 1310 nm sẽ được truyền theo hướng lên bởi mỗi thiết bị ONT. Hệ thống cung cấp địa chỉ, cung cấp băng thông một cách tự động, cũng như việc mã hóa được sử dụng để duy trì và phân tách lưu lượng giữa OLT và ONT. Tại hướng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU. Tín hiệu hướng xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT và các tín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hướng lên. Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), bước sóng, mã CDMA mà các ONT tách dữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng. Trong hướng lên, mỗi ONU cần có giao thức MAC (Medium Access Control – điều khiển truy nhập môi trường) để chia sẻ PON. Giao thức MAC thường được sử Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 159 dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, khi đó mỗi ONT được cấp một khe thời gian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra trong hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị chồng lấn lên nhau. Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một bước sóng riêng. Trong các mạng PON các bước sóng được sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu đường lên. Bảng 5.3. So sánh 2 công nghệ AON và PON Bảng so sánh hai công nghệ Cộng nghệ AON PON Băng thông trên mỗi thuê bao 100Mbps – 1Gbps 2.5Gbps/1.25Gbps nếu không dùng splitter triển khai theo mô hình điểm – điểm, tuy nhiên thường chia thành 1:32 (78Mbps) hay 1:64 (39Mbps) Tăng băng thông tạm thời cho thuê bao (cần sao lưu dự phòng máy chủ, chẳng hạn) Đơn giản Phức tạp Số thuê bao bị ảnh hưởng khi có lỗi Ít Nhiều Thời gian xác định lỗi Nhanh Chậm hơn Khả năng bị nghe lén Rất thấp Cao Độ tin cậy của Cao do tùy mô hình Thấp, không có phương án 2 kết nối Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 160 đường cáp đến thuê bao khách hàng có thể được kết nối theo dual- homing (có 2 đường truyền khác nhau), vòng tròn (ring) hay 2 kết nối trên một PON Chi phí triển khai Cao do mỗi thuê bao là một sợi quang riêng Thấp vì sợi quang từ OLT sẽ được chia sẻ cho nhiều thuê bao qua bộ chia thụ động Chi phí vận hành Cao: các thiết bị như Access Node cần cấp nguồn và kích thước cũng lớn, yêu cầu không gian. Không gian cho cáp cũng cần nhiều Thấp do OLT kích thước nhỏ và passive splitter không cần cấp nguồn. Phục vụ khoảng 8000 thuê bao chỉ cần không gian của một tủ rack Chi phí nâng cấp Thấp, do đặc tính điểm đến điểm của việc nâng cấp băng thông đơn giản, chẳng hạn chỉ cần thay thiết bị đầu cuối (CPE) Cao do toàn bộ thuê bao trong một dây PON (từ OLT qua splitter đến người dùng) phải được nâng cấp 5.4.3. Các chuẩn trong mạng PON ❖ TDMA-PON (Time Division Multiple Access PON – PON đa truy cập phân chia theo thời gian): phân cho mỗi người dùng 1 khe thời gian, tăng dung lượng bằng cách tăng tốc độ bit, gồm các chuẩn như B-PON, G-PON và E-PON. Mỗi chuẩn đều có ưu, nhược điểm riêng. Tại Việt Nam hiện đang triển khai công nghệ theo chuẩn G- PON. Các chuẩn trên được so sánh trong bảng 5.4. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 161 Bảng 5.4. So sánh các chuẩn TDMA-PON ❖ CDMA-PON (Code Division Multiple Access PON – PON đa truy cập phân chia theo mã): CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn trải trên cùng một kênh thông tin. Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa và nhận dạng thông qua bộ giải mã. Phần lớn công nghệ ứng dụng trong CDMA- PON tuân theo phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp. Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0, 1 (tương ứng với mỗi tín hiệu) {được mã hóa thành chuỗi ký tự dài hơn và có tốc độ cao hơn}. Thách thức: - Các thành phần có chi phí cao. Tuy nhiên, giá thành của các phần tử này đang giảm dần trong những năm gần đây, nhờ đó mà tính kinh tế của mạng WDM-PON trở nên thích hợp hơn. Ví dụ, Korean Telecom cũng đã bắt đầu đưa vào thử nghiệm WDM- PON. Những lợi ích trong tiêu chuẩn hóa WDM-PON cũng đã được tạo ra trong ITU- T SG15 gần đây. Chương 5: Một số công nghệ mới trong thông tin quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 162 - Kiểm soát nhiệt độ. Bước sóng của các phần tử WDM có khuynh hướng trôi theo nhiệt độ môi trường. Mà việc kiểm soát nhiệt độ này thì cần tiêu thụ năng lượng điện và yêu cầu phải có các linh kiện điện tử hoạt động trong mạng lưới phân phối quang. Do vậy để loại bỏ sự cần thiết phải kiểm soát nhiệt độ, các công nghệ tiến bộ đã được thực hiện trong sản xuất các linh kiện và hệ thống WDM không dẫn nhiệt. - Tính trong suốt trong hoạt động của ONU. Trong WDM-PON, mỗi ONU cần một bước sóng khác nhau cho kết nối upstream. Và đây là vấn đề khá nghiêm trọng trong hoạt động và tính khả thi kinh tế. Mỗi bước sóng đặc trưng của ONU cho thấy thách thức đáng kể trong việc quản lý, tồn kho, bảo trì. Rất nhiều giải pháp đã được phát minh để thực hiện được khả năng hoạt động trong suốt của ONU trong 20 năm qua. CÂU HỎI ÔN TẬP 5.1. Trình bày nhu cầu băng thông rộng của các dịch vụ hiện nay. 5.2. Công nghệ FTTX là gì? Trình bày các cách phân loại mạng FTTX. 5.3. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM là gì? Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị có trong mạng WDM? 5.4. Mạng AON và PON là gì? Trình bày so sánh ưu điểm và nhược điểm giữa hai mạng với nhau. 5.5. Vẽ sơ đồ kiến trúc mạng AON và PON. 5.6. Trình bày các chuẩn trong mạng PON. KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. M. Senior, Optical Fiber Communications: Principles and Practice (Second edition), Prentice Hall, 1993. [2] G. Keiser, Optical Fiber Communications (Third edition), McGraw-Hill, 2000. [3] J. Gowar, Optical Communication Systems (Second edition), Prentice-Hall, 1993. [4] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems (Second edition), John Wiley & Sons, 1997. [5] Max Ming – Kang Liu, Principles and Applications of Optical Communications, 2001. [6] Vũ Văn San, Hệ thống Thông Tin Quang (tập 1), Nhà xuất bản Bưu Điện, 7-2003. [7] Fuqin Xiong, Digital Modulation Techniques, Artech House–Boston–London, 2000. [8] Lê Quốc Cường - Đỗ Văn Việt Em - Phạm Quốc Hợp, Kỹ thuật thông tin quang 1, HVCNBCVT, 2009. [9] Lê Quốc Cường, Kỹ thuật thông tin quang 2, HVCNBCVT, 2009. [10] Recommendation G.983.1, Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON). ITU-T, 2005. [11] Recommendation G.984.1, Gigabit-capable passive optical networks General characteristics. ITU-T, 2009. KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 164 PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh giữa cáp quang và cáp đồng .................................................................. 13 Bảng 2.1. Các băng sóng vô tuyến ...................................................................................... 20 Bảng 4.1. Tổng kết các khoảng hữu dụng nhất của các vật liệu PIN diode ...................... 121 Bảng 4.2. Độ nhạy của một số linh kiện ở các bước sóng hoạt động .............................. 125 Bảng 4.3. Bảng so sánh đáp ứng giữa PIN và APD .......................................................... 126 Bảng 4.4. Bảng so sánh dòng tối giữa PIN và APD .......................................................... 126 Bảng 4.5. Bảng so sánh độ ổn định giữa PIN và APD ...................................................... 127 Bảng 4.6. Bảng so sánh điện áp phân cực giữa PIN và APD ............................................ 127 Bảng 4.7. Bảng các đặc tính cơ bản của các photodiode .................................................. 127 Bảng 5.1. Nhu cầu băng thông một số loại hình dịch vụ .................................................. 140 Bảng 5.2. So sánh giữa FTTx và ADSL ............................................................................ 145 Bảng 5.3. So sánh 2 công nghệ AON và PON .................................................................. 159 Bảng 5.4. So sánh các chuẩn TDMA-PON ....................................................................... 161 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 165 PHỤ LỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu hình của một hệ thống thông tin quang ........................................................ 10 Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang ............................................. 11 Hình 1.3. Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng .............................................. 11 Hình 1.4. Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang .......................................................... 11 Hình 1.5. Kết nối các tổng đài bằng cáp quang ................................................................... 14 Hình 2.1. Sóng điện từ: hình tĩnh ........................................................................................ 19 Hình 2.2. Phổ sóng điện từ .................................................................................................. 20 Hình 2.3. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng ............................................................ 22 Hình 2.4. Ánh sáng đi từ môi trường chiết suất nhỏ sang môi trường chiết suất lớn ......... 23 Hình 2.5. Hiện tượng phản xạ toàn phần ............................................................................ 23 Hình 2.6. Sơ đồ mức năng lượng......................................................................................... 24 Hình 2.7. Cấu trúc cơ bản sợi quang, gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding) ....................... 25 Hình 2.8. Ánh sáng lan truyền trong sợi quang ................................................................... 26 Hình 2.9. Khẩu độ số sợi quang .......................................................................................... 27 Hình 2.10. Dạng phân bố chiết suất trong lõi sợi SI ........................................................... 29 Hình 2.11. Minh họa ánh sáng đi trong sợi SI ..................................................................... 29 Hình 2.12. Dạng phân bố chiết trong lõi sợi GI .................................................................. 29 Hình 2.13. Minh họa ánh sáng đi trong sợi GI .................................................................... 30 Hình 2.14. Ánh sáng đi trong sợi đa mode .......................................................................... 32 Hình 2.15. Ánh sáng đi trong sợi đơn mode ....................................................................... 32 Hình 2.16. Khái niệm suy hao trong sợi quang ................................................................... 33 Hình 2.17. Suy hao bên trong sợi quang ............................................................................. 36 Hình 2.18. Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng .............................................................. 38 Hình 2.19. Tán sắc mode trong sợi đa mode SI .................................................................. 40 Hình 2.20. Tán sắc ống dẫn sóng ........................................................................................ 43 Hình 2.21. Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng trong sợi quang ................................................................................................................................... 43 Hình 2.22. Khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính các bước sóng khác nhau sẽ bị uống cong với các góc khác nhau tạo thành hiện tượng cầu vòng. Đó chính là hiện tượng tán sắc ............................................................................................................................................. 44 Hình 2.23. Ánh sáng lan truyền trong sợi quang sẽ bị tán sắc như trên hình 2.23 .............. 44 Hình 2.24. Minh hoạ tán sắc phân cực mode ...................................................................... 45 Hình 2.25. Các mặt các chỉ số chiết suất ............................................................................. 49 Hình 2.26. Độ nghiên tán sắc của sợi TrueWave, sợi TrueWave RS và LEAF .................. 50 Hình 2.27. (a) NZ-DSF bình thường. (b) LEAF ................................................................. 51 Hình 2.28. Sự phân bố công suất trong lõi của sợi DSF và LEAF. Công suất trong sợi LEAF được phân bố với diện tích rộng hơn ........................................................................ 51 Hình 2.29. Tán sắc màu âm và dương trong dải 1550 nm .................................................. 53 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 166 Hình 2.30. Cấu trúc sợi quang khi đem làm cáp ................................................................. 55 Hình 2.31. Mặt cắt ngang của sợi quang sau khi bọc lớp phủ............................................. 55 Hình 2.32. Mô tả cấu trúc ống đệm lỏng ............................................................................. 57 Hình 2.33. (a) Cấu trúc đệm khít, và (b) đệm tổng hợp ...................................................... 57 Hình 2.34. Cấu trúc băng dẹp .............................................................................................. 58 Hình 2.35. Ví dụ về các cấu trúc cáp quang ........................................................................ 59 Hình 2.36. Cấu trúc tổng quát của cáp quang ..................................................................... 60 Hình 2.37. Cấu trúc lớp (a) Cấu trúc 1 lớp (b) Cấu trúc 2 lớp ............................................ 60 Hình 2.38. Thành phần chịu lực trung tâm cáp ................................................................... 61 Hình 2.39. Thành phần gia cường ngoài ............................................................................. 62 Hình 3.1. Mô hình một nguyên tử với các điện tử quay hạt nhân với các quỹ đạo ổn định 71 Hình 3.2. Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) ................................................ 72 Hình 3.3. Phân bố mật độ điện tử theo phân bố Boltzmann khi cân bằng về nhiệt ............ 72 Hình 3.4. Các hiện tượng biến đổi quang điện .................................................................... 73 Hình 3.5. Minh hoạ các trạng thái chuyển đổi năng lượng giữa điện tử và photon ............ 74 Hình 3.6. Vùng năng lượng của chất bán dẫn ..................................................................... 75 Hình 3.7. (a). Dải cấm năng lượng trực tiếp (b). Dải cấm năng lượng gián tiếp ................ 77 Hình 3.8. Bước sóng ánh sáng phát xạ của một số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V .......................................................................................................................................... 79 Hình 3.9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED ........................................................... 79 Hình 3.10. Đặc tuyến P-I của LED ...................................................................................... 81 Hình 3.11. Nguồn quang bán dẫn phát ra ánh sáng trong một khoảng bước sóng ............. 82 Hình 3.12. Đặc tính phổ của LED ....................................................................................... 82 Hình 3.13. Cấu trúc LED Planar ......................................................................................... 83 Hình 3.14. Cấu trúc LED dome ........................................................................................... 83 Hình 3.15. Cấu trúc LED Burrus ......................................................................................... 84 Hình 3.16. LED phát xạ cạnh (ELED) ................................................................................ 85 Hình 3.17. Cấu trúc của laser Fabry-Perot .......................................................................... 85 Hình 3.18. Hốc cộng hưởng Fabry-Perot ............................................................................ 86 Hình 3.19. Công suất của ánh sáng khi lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot .......................................................................................................................... 87 Hình 3.20. Phổ của Laser Fabry-Perot ................................................................................ 89 Hình 3.21. Nhảy mode trong laser đơn mode về phía bước sóng dài khi công suất ngõ ra tăng ...................................................................................................................................... 90 Hình 3.22. Nhiễu thành phần trong nguồn quang đa mode ................................................. 91 Hình 3.23. Đặc tuyến P-I của 3 loại nguồn quang: SLED, ELED và Laser ....................... 92 Hình 3.24. Góc phát quang của SLED, ELED và Laser ..................................................... 93 Hình 3.25. Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào trong sợi quang ........................................ 94 Hình 3.26. Thời gian lên (rise time) của nguồn quang ........................................................ 96 Hình 3.27. Dòng điện ngưỡng Ith của laser thay đổi khi nhiệt độ thay đổi ........................ 96 Hình 3.28. (a) Cấu trúc của laser DFB; (b). Phản xạ tại cách tử Bragg (c) Độ rộng phổ của laser DFB ............................................................................................................................. 98 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 167 Hình 3.29. Cấu trúc của laser DBR ..................................................................................... 99 Hình 3.30. (a) Laser hốc cộng hưởng ngoài (External Cavity LASER), (b) hệ số phản xạ phụ thuộc bước sóng, (c) phổ của LASER ........................................................................ 100 Hình 3.31. Laser hốc cộng hưởng ngoài (External Cavity LASER) ................................. 100 Hình 3.32. LASER hốc cộng hưởng cắt (Cleaved - Cavity LASER) ............................... 101 Hình 3.33. Sơ đồ khối bộ phát quang ................................................................................ 101 Hình 3.34. Bộ phát quang .................................................................................................. 102 Hình 3.35. Sơ đồ khối đơn vị biến đổi dữ liệu .................................................................. 102 Hình 3.36. Mạch phát quang sử dụng LD điển hình ......................................................... 103 Hình 3.37. Mạch kích thích ............................................................................................... 103 Hình 3.38. Mạch điều chế tín hiệu .................................................................................... 103 Hình 3.39. Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài .......................................................................... 105 Hình 3.40. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngòai MZM ......................................... 106 Hình 4.1. Mối nối P-N phân cực ngược ............................................................................ 110 Hình 4.2. Mô hình vật lý của một photodiode ................................................................... 110 Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn giữa R và λ của photodiode Si ................................................ 113 Hình 4.4. Linh kiện thu quang hoạt động trong vùng tuyến tính của dải động ................. 115 Hình 4.5. Sơ đồ khối của bộ thu quang số ......................................................................... 117 Hình 4.6. Đáp ứng của photodiode với xung ánh sáng biểu diễn thời gian lên 10% đến 90% và thời gian xuống 90% đến 10% ...................................................................................... 118 Hình 4.7. Sơ đồ photodiode P-N ....................................................................................... 120 Hình 4.8. Cấu trúc PIN gồm ba lớp: “P-type” - “I-Intrinsic” - “N-type” .......................... 120 Hình 4.9. Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn của PIN ................ 121 Hình 4.10. Cấu tạo bên trong của PIN............................................................................... 121 Hình 4.11. Phổ đáp ứng của Si và InGaAs ........................................................................ 122 Hình 4.12. Đặc tuyến V-I của photodiode Si với R = 0,5 A/W ........................................ 122 Hình 4.13. Cấu trúc bán dẫn của APD .............................................................................. 123 Hình 4.14. Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn ............................ 123 Hình 4.15. Hệ số nhân M thay đổi theo nhiệt độ và áp phân cực ngược .......................... 125 Hình 4.16. Khuếch đại trở kháng thấp............................................................................... 128 Hình 4.17. Khuếch đại trở kháng cao ................................................................................ 129 Hình 4.18. Mạch tương đương bộ tiền khuếch đại trở kháng cao ..................................... 129 Hình 4.19. Khuếch đại hồi tiếp .......................................................................................... 130 Hình 4.20. Sơ đồ tương đương của bộ tiền khuếch đại hồi tiếp ........................................ 130 Hình 4.21. (a) tín hiệu tái tạo được ở bộ thu; (b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0 ................................................................................................................................. 134 Hình 4.22. (a) Phổ dạng cosine. (b) Ngõ ra của hệ thống có phổ ngõ ra dạng cosine của 1 xung ngõ vào ..................................................................................................................... 136 Hình 4.23. Biểu đồ mắt của tín hiệu dạng NRZ ................................................................ 136 Hình 5.1. Phân loại mạng FTTX theo chiều dài cáp quang .............................................. 142 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 168 Hình 5.2. Cấu trúc hệ thống WDM ................................................................................... 147 Hình 5.3. Phân loại hệ thống WDM .................................................................................. 148 Hình 5.4. Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) ........................................................................ 150 Hình 5.5. Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang ..................... 151 Hình 5.6. OXC chuyển mạch ............................................................................................ 152 Hình 5.7. Bộ ghép bước sóng thông thường và bộ AWG ................................................. 153 Hình 5.8. Sơ đồ mạng AON .............................................................................................. 156 Hình 5.9. Mạng PON ......................................................................................................... 158