Kĩ thuật viễn thông - Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

1 Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang Một hệ thống thông tin truyền dẫn thông tin từ một nơi này đến một nơi khác cách nhau chỉ vài km tới hàng chục ngàn km. Thông tin thường được mang bởi một sóng mang sóng điện từ mà tần số có thể biến đổi từ một vài MHz tới hàng trăm THz. Các hệ thống thông tin quang sử dụng các tần số cao lên tới hàng trăm THz trong vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ. Trong các hệ thống thông tin quang thì các hệ thống quang sợi sử dụng sợi quang để truyền thông tin chiếm chủ yếu. Các hệ thống này đã được sử dụng rộng rãi từ 1980 và đã tạo nên cuộc cách mạng trong viễn thông. Và chính công nghệ quang sợi cùng với vi điện tử đã mở ra kỷ nguyên công nghệ thông tin từ những năm 1990. Trong chương đầu tiên của bài giảng này chúng tôi sẽ trìn bày một số khái niệm và kiến thức tổng quan về hệ thống thông tin quang sợi. Các chương tiếp theo sau sẽ đi vào chi tiết từng thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang. 1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa. Tuy nhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chế truyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cáp đồng, viba số.Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin. Năng lực của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp. Việc ra đời các hệ thống truyền dẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ thống mạng viễn thông. Những phát triểncủa thông tin quang có được bắt nguồn từ những nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm 1960 và chế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70. Trong đó nổi bật phải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS. Charles K. Kao, người đã 2 đoạt giải Nobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo sợi quang dùng cho thông tin quang. Hình 1-1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách BL trong khoảng thời gian 1850 đến 2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới. Hình 1-2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện sau năm 1980. Các đường chấm chỉ ra sự tăng trưởng theo dạng gần hàm mũ về tốc độ bit ở cả hai hệ thống nghiên cứu và hệ thống thương mại. Giai đoạn nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảng năm 1975. Hình 1-2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin quang được thực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển. Các sản phẩm hệ thống thương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm. Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đến năm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt. Hình 1-3 cho thấy sự tăng về Kết quả hệ thống thương mại hóa Kết quả nghiên cứu 3 tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau. Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm. Mỗi thế hệ, BL tăng mạnh ở thời kỳ đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của nó. Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hơn hiệu năng của hệ thống. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0,8 µm và sử dụng các nguồn laser bán dẫn GaAs. Các hệ thống này được thương mại hóa năm 1980 hoạt động tại tốc độ 45 Mb/s và cho phép khoảng cách lặp chỉ khoảng 10 km. Tuy là thế hệ thông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều so với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống thời đó. Hình 1-3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thế hệ hệ thống thông tin quang. Các ký hiệu khác nhau mô tả cho các thế hệ kế tiếp nhau. Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạt động tại vùng bước sóng gần 1,3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1 dB/km. Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng này. Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thu bán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1,3 µm. Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kỷ 1980, nhưng tốc độ bít của các hệ thống ban đầu bị giới hạn dưới 100 Mb/s vì tán sắc trong các sợi đa mode. Giới hạn này được khắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng trong các hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó. Vào năm 1987, các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1,7 Gb/s với khoảng cách lặp khoảng 50 km đã sẵn có cung cấp cho thương mại. 4 Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởi suy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1,3 µm (điển hình 0,5 dB/km). Các suy hao của các sợi quang nhỏ nhất ở gần 1,55 µm. Một mức suy hao cỡ 0,2 dB/km đã thực hiện được trong vùng phổ này. Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 1,55 µm bị chậm lại đáng kể bởi tán sắc lớn của sợi quang gần 1,55 µm. Các laser bán dẫn InGaAsP thông thường đã không thể sử dụng được vì sự trải rộng xung quang xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thời của một vài mode phát xạ dọc từ laser. Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc bằng các sợi dịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1,55 µm hoặc bằng giới hạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn. Cả hai tiếp cận này đã được thực hiện trong suốt thập kỉ 1980. Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng thí nghiệm đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ lên tới 4 Gb/s trên khoảng cách lớn hơn 100 km. Các hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 2,5 Gb/s đã sẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990. Các hệ thốn như vậy cũng có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 10 Gb/s. Hiệu năng tốt nhất của hệ thống được thực hiện bằng việc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn laser đơn mode. Nhược điểm của hệ thống 1,55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được tái sinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp điện ở khoảng cách điển hình cỡ 60 – 70 km. Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng thêm nhờ sử dụng chế độ thu kết hợp homodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được độ nhạy bộ thu. Các hệ thống như vậy được gọi là các hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). Các hệ thống coherent cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tàng của chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên việc thương mại hóa các hệ thống này đã bị trì hoãn do sự ra đời của các bộ khuyếch đại quang sợi vào năm 1989. Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tăng dung lượng truyền dẫn. Như thấy rõ trong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001.Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km.Các bộ khuyeech đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990. Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi mà các hệ 5 thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi. Từ sau năm 1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độ Gb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới. Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời. Cửa sổ bước sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm. Nó sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các băng tần S và L tương ứng. Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếch đại tín hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyếch đại EDFA không thực hiện được. Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm. Việc sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyếch đại mới có thể cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM. Tiêu điểm của hệ thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM. Ý tưởng là để sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang quang. Mặc dù các định dạng như vậy đã được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống vô tuyến, nhưng việc sử dụng trong các hệ thống sợi quang chỉ được chú ý đến nhiều sau năm 2001. Nhờ sử 6 dụng các định dạng điều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị giới hạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8 b/s/Hz. Trong một thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã được thiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên khoảng cách 320 km bằng việc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L với khoảng cách kênh 12,5 GHz. Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/s được ghép phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độ cầu phương (QAM). Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi. Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập. 1.2 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 1.2.1 Băng tần phổ quang Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng năng lượng điện từ để phát tín hiệu. Phổ bức xạ điện từ (EM) được cho thấy trong hình 1-4. Năng lượng điện từ là sự tổ hợp của điện trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng vô tuyến, vi ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ. Bản chất cơ bản của tất cả các bức xạ trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lan truyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108 m/s trong chân không. Tốc độ của sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc độ c trong chân không bởi một hệ số chiết suất n: 𝑣 = 𝑐 𝑛 (1.1) Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xác định qua một số các đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng, năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số dao động của sóng. Khác với truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ các băng tần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụng bước sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động. Các đại lượng này liên hệ với nhau qua một số phương trình đơn giản. Trước hết, tốc độ ánh sáng trong chân không c bằng bước sóng  nhân với tần số : 𝑐 =  (1.2) 7 trong đó tần số  được đo theo Hz. Tiếp theo, quan hệ giữa năng lượng của một photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng) của nó được xác định qua định luật Planck: 𝐸 = ℎ (1.3) trong đó tham số h = 6,63x10-34 J-s = 4,14 eV-s là hằng số Planck. Theo bước sóng (được đo theo µm), năng lượng theo đơn vị electron volt được xác định: 𝐸 𝑒𝑉 = 1,2406 (µ𝑚) (1.4) Hình 1-5 Phổ bức xạ sóng điện từ Các hệ thống thông tin có thể được phân biệt qua các vùng phổ sóng điện từ sử dụng. Hình 1-5 cho thấy các vùng phổ cụ thể cho các hệ thống thông tin vô tuyến và quang sợi. Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến các băng tần sử dụng trải rộng từ băng tần cao HF tới VHF và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107, 10 8 và 10 9 Hz tương ứng. Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tại vùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng và kết quả cho phép tăng dung lượng truyền dẫn thông tin. Đối với thông tin quang, các vùng băng tần quang có tần số lớn hơn nhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi quang cho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùng lớn qua hệ thống. Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tím đến 1 mm trong vùng hồng ngoại xa. Ở giữa các vùng giới hạn này là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến 700 nm. Thông tin quang sợi sử dụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675 nm. Các hệ thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóng dài 8 và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáu băng tần phổ sử dụng cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260 đến 1675 nm. Các chỉ định băng tần bước sóng dài này xuất phát từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ khuyếch đại EDFA. Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệ thống sợi quang đa mode bước sóng ngắn. Mỗi vùng phổ đều đòi hỏi các thành phần linh kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tính khác nhau của các thành phần này sẽ dẫn đến hiệu năng cũng như ứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau. Hình 1-6 Các vùng phổ sóng điện từ sử dụng cho thông tin quang sợi và thông tin vô tuyến. Vi ba Vô tuyến sóng ngắn Vô tuyến sóng dài Cáp đồng trục Cáp đôi dây xoắn Ống dẫn sóng Sợi quang Môi trường truyền dẫn Ứng dụng Băng tần 9 Hình 1-7 Ký hiệu các băng tần phổ bước sóng dài do ITU-T quy định 1.2.2Ghép kênh Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau để truyền đồng thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệu quả dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Đối với hệ thống thông tin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức năng ghép kênh luôn đi kèm với hệ thống này. Các kỹ thuật ghép kênh thường được sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) và ghép kênh theo tần số (FDM). Hình 1-8 Phân cấp số cận đồng bộ PDH Trong trường hợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép xen trong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cách khác mỗi kênh sẽ được gán vào những khe thời gian xác định để truyền đồng thời qua hệ thống cùng với các kênh khác. Kỹ thuật TDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng viễn thông và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình phát triển. Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số, phân cấp số cận đồng bộ (PDH) được hình thành xác định các mức và số lượng kênh thoại được ghép. Phân 10 cấp PDH như cho thấy trong hình 1-6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử dụng cho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến. Sự thiếu một tiêu chuẩn thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đã đòi hỏi sự ra đời một tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạng quang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là phân cấp số đồng bộ SDH. Bảng 1-1 cho thấy các cấp tốc độ trong phân cấp số đồng bộ. Bảng 1-1 Bảng tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần số trong đó mỗi kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt. Các tần số sóng mang cách nhau một khoảng tần lớn hơn độ rộng băng tần của kênh để tránh sự chồng phổ. FDM có thể được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sử dụng trong các hệ thống quảng bá. Trong các hệ thống viễn thông, chức năng ghép kênh thường được thực hiện trong miền điện trước khi chuyển đổi thành tín hiệu quang. Trường hợp FDM thực hiện hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. 1.2.3 Đơn vị công suất Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợi quang để đặc trưng cho cường độ của tín hiệu quang trên hệ thống. Đại lượng công suất có thể được đo trên hai kiểu thang đo: - Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW - Thang đo logarithm với đơn vị dBm Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được sử dụng vì nó đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễn dải rộng giá trị mức công suất hay nói cách khác dễ dàng biểu diễn các mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ lớn. Thêm nữa việc tính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơn giản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tính nhân chia tỉ lệ trong thang đo tuyến tính. 11 Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mức công suất theo thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau: 𝑃 𝑑𝐵𝑚 = 10𝑙𝑜𝑔10 𝑃(𝑚𝑊 ) 1 𝑚𝑊 (1.5) Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệ logarithm của P so với 1 mW. Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơn giản vì các giá trị điển hình mức công suất phát nằm trong dải này (chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1 mW). Như vậy dBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệt đối và một quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW. Do đó, các giá trị công suất dương theo dBm là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theo dBm là nhỏ hơn 1 mW. Bảng cho một số ví dụ mức công suất quang theo hai đơn vị đo tương ứng. Bảng 1-2 Bảng ví dụ chuyển đổi mức công suất giữa đơn vị tuyến tính và dBm Công suất Đơn vị dBm 200 mW 100 mW 10 mW 1 mW 100 W 10 W 1 W 100 nW 10 nW 23 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 1.3 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang Hình 1-9 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang. Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, một kênh thông tin và một bộ thu, đây được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin. Các hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn (guided) và không dẫn (unguided) tín hiệu quang. Trong trường hợp hệ thống quang có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế. 12 Hình 1-9 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến hay còn gọi là thông tin quang không dây. Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả của bước sóng ngắn của chùm quang). Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc căn chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu. Trong trường hợp truyền dẫn khoảng cách lớn, tín hiệu trong hệ thống không dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí quyển. Tuy nhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trên bầu khí quyển trái đất (ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh). Mặc dù hệ thống thông tin quang không gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu mạnh mẽ, nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng hệ thống thông tin quang sợi. Do vậy mà nội dung bài giảng này sẽ chỉ tập trung vào hệ thống quang sợi. 1.3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi Hình 1-9 đã cho thấy ba thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang sợi bao gồm: cáp sợi quang vai trò như kênh thông tin, bộ phát quang và bộ thu quang. a. Sợi quang như một kênh thông tin Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km. Thậm chí khi mức công suất quang giảm chỉ còn 1% sau 100 km. Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuyếch đại của một hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn. Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán sắc sợi quang gây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn. Nếu các xung quang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được tín hiệu ban đầu Bộ phát quang Bộ thu quang Kênh truyền dẫn Tín hiệu vào Tín hiệu ra 13 với độ chính xác cao. Vấn đề này là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức độ dãn xung cỡ ~ 10 ns/km. Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km). Các vấn đề về sợi quang sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2. b. Bộ phát quang Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn. Hình 1-10 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế, và một bộ ghép nối với sợi quang. Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát quang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của chúng với kênh sợi quang. Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng mang quang. Có hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài. Ở phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều biến ngoài. Phương thức điều biến trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng khi điều biến dữ liệu ở tốc độ cao. Hình 1-10 Sơ đồ khối bộ phát quang Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao. Ở đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệu điện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài. Nhờ sử dụng bộ điều biến ngoài, ngoài định dạng điều biến cường độ (IM) thì các định dạng điều biến tiên tiến khác như PSK, FSK hay QAM cũng có thể được thực hiện dễ dàng như trong các hệ thống thông tin quang thế hệ năm. Trong bộ phát quang bộ ghép nối thường là một vi thấu kính để hội tụ tín hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất. Các vấn đề về bộ phát quang sẽ đề cập chi tiết trong chương 3. c. Bộ thu quang Mạch kích thích Nguồn quang Bộ điều chế Bộ ghép nối quang Tín hiệu điện vào Tín hiệu quang ra 14 Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra tuyến sợi quang thành tín hiệu điện. Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ thu quang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ giải điều chế. Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng quang. Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ giải điều chế phụ thuộc vào các định dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể. Các hệ thống thông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định để xác địn các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện thu được. Hình 1-11 Sơ đồ khối bộ thu quang Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang số được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xác định BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chí còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14. Các vấn đề cơ bản của bộ thu quang sẽ được trình bày trong chương 4. 1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang Ưu điểm: - Suy hao thấp: Các sợi quang có suy hao thấp hơn so với cáp đồng do vậy cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn. Điều này giúp giảm số lượng các bộ lặp cần thiết sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn. Sự giảm về thiết bị và các thành phần sẽ giảm độ phức tạp và giá thành của hệ thống. - Băng tần truyền dẫn rộng: Các sợi quang có độ rộng băng tần truyền dẫn rộng nên một dung lượng lớn thông tin có thể được truyền qua hệ thống giúp làm giảm số đường truyền vật lý cần thiết. Tín hiệu điện ra Tín hiệu quang vào Bộ ghép nối quang Bộ tách sóng quang Bộ giải điều chế Xử lý điện tử 15 - Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ của sợi quang cho phép dễ dàng triển khai lắp đặt trên các hệ thống cáp khác nhau. Đặc điểm này cũng cho thấy hệ thống quang sợi cũng triển khai dễ dàng trong các hệ thống quân sự, hàng không, vệ tinh và tầu thuyền. - Không bị can nhiễu điện từ: Do sợi quang được làm từ vật liệu điện môi không dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởng bới các hiệu ứng giao thoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện có thể ghép cặp với đường truyền. - Độ an toàn được tăng cường: Các sợi quang cho mức độ an toàn cao khi vận hành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất, đánh tia lửa điện và điện thế cao như trong hệ thống cáp đồng. - Bảo mật thông tin cao: Sợi quang cho phép một mức độ bảo mật thông tin cao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợi quang khi truyền mà không bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin. Nhược điểm: - Các hệ thống thông tin quang sợi có chi phí lặp đặt ban đầu lớn do vậy mà chúng thường triển khai trên các mạng khoảng cách lớn và dung lượng cao để đảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư. - Do sợi quang có kích thước nhỏ và làm từ vật liệu điện môi trong suốt như thủy tinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi phải có kỹ năng để đảm bảo chất lượng mối hàn. - Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng. Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệ thống thông tin quang sợi đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đối với lĩnh vực viễn thông, hệ thống thông tin quang sợi đã trở thành nền tảng cơ bản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc tế liên lục địa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập. Những thành tựu đạt được và sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet ngày nay có được cũng nhờ vào sự thành công có được của công nghệ thông tin quang sợi. 16 1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang Để cho phép các thành phần và thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp với nhau, rất nhiều các tiêu chuẩn quốc tế về viễn thông nói chung và thông tin quang nói riêng đã được phát triển. Có ba loại cơ bản cho hệ thống quang sợi bao gồm các tiêu chuẩn sơ cấp, các tiêu chuẩn kiểm định các thành phần thiết bị và các tiêu chuẩn hệ thống. Các tiêu chuẩn sơ cấp liên quan đến việc đo và mô tả các tham số vật lý cơ bản như suy hao, độ rộng băng tần và các đặc tính hoạt động của sợi quang, các mức công suất quang và độ rộng phổ. Ở Mỹ tổ chức chính liên quan đến các tiêu chuẩn sơ cấp là Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (NIST). Tổ chức này thực hiện các công việc tiêu chuẩn hóa laser và sợi quang, và nó cũng tài trợ hội thảo hàng năm về đo kiểm quang sợi. Một số tổ chức quốc gia khác như Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia (NPL) ở Anh và PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) ở Đức cũng có chức năng tương tự. Các tiêu chuẩn kiểm định thành phần định nghĩa các phép đo thử hiệu năng thành phần quang sợi và chúng thiết lập các thủ tục hiệu chỉnh thiết bị. Một số các tổ chức khác nhau liên quan đến việc hình thành các tiêu chuẩn kiểm định này như Hiệp hội công nghiệp viễn thông (TIA) kết hợp với Liên minh các nhà công nghiệp điện tử (EIA), Ban viễn thông của ITU (ITU-T) và Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC). TIA có một danh sách trên 120 tiêu chuẩn và tham số kỹ thuật đo kiểm quang sợi được ký hiệu TIA/EIA-455-XX-YY, trong đó XX liên quan đến một kỹ thuật đo cụ thể và YY liên quan đến năm phát hành. Các tiêu chuẩn này cũng được gọi là Các thủ tục đo kiểm định quang sợi (FOTP), do đó TIA/EIA-455-XX trở thành FOTP-XX. Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các phương pháp được khuyến nghị cho việc đo kiểm định phản ứng của sợi quang, cáp, linh kiện thụ động và các thành phần quang điện đối với các yếu tố môi trường và các điều kiện hoạt động. Ví dụ, TIA/EIA-455-60-1997 hoặc FOTP-60 là một phương pháp được ban hành năm 1997 về đo độ dài của cáp sợi quang. Các tiêu chuẩn hệ thống liên quan đến các phương pháp đo kiểm tuyến và mạng truyền dẫn. Các tổ chức chính là Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI), Tổ chức cho các kỹ sư điện và điện tử (IEEE), ITU-T và Telcordia Technologies. Cụ thể cho hệ thống quang sợi là các tiêu chuẩn đo kiểm và các khuyển nghị từ ITU-T. Trong loạt khuyến nghị G (trong dải số G.650 và cao hơn) liên quan đến cáp sợi quang, bộ khuyếch đại quang, ghép kênh bước sóng, mạng truyền tải quang (OTN), 17 tính khả dụng và độ tin cậy hệ thống, quản lý và điều khiển các mạng quang thụ động (PON). Loạt khuyến nghị L của ITU-T giải quyết việc xây dựng, lắp đặt, hỗ trợ bảo dưỡng, giám sát và đo kiểm cáp và các phần tử khác trong hệ thống sợi quang được triển khai ngoài thực địa. Câu hỏi/bài tập chương 1 1/ Hệ thống thông tin quang sợi có những ưu điểm cơ bản gì so với hệ thống cáp kim loại ? 2/ Trong mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang có những thành phần cơ bản nào và làm chức năng gì ? 3/ Tính tần số ánh sáng và năng lượng photon tương ứng với bước sóng 1300nm. Cho biết hằng số Plank h=6,625.10-34 J.s và vận tốc ánh sáng trong chân không c=3.10 8 m/s. 4/ Tại sao trong kỹ thuật thông tin quang thường sử dụng đơn vị công suất là dBm. Hãy chuyển đổi công suất 0,25 mW thành đơn vị dBm ?