Chng 1 7 Ch¬ng 1 Nh÷ng xu híng ph¸t triÓn chÝnh cña th«ng tin c¸p sîi quang 1 1 Më ®Çu Ngay tõ nh÷ng n¨m 1960, khi Laser ®Çu tiªn ra ®êi ng êi ta ® sím ®¸nh gi¸ ®îc tiÒm n¨ng v« cïng to lín cña th«ng[.]
Chơng Những xu hớng phát triển thông tin cáp sợi quang 1.1.Mở đầu Ngay từ năm 1960, Laser đời ngời ta đà sớm đánh giá đợc tiềm vô to lớn thông tin quang, coi thông tin quang ứng dơng quan träng cđa Laser Khi ®ã cã hai híng nghiên cứu thông tin quang Hớng thứ nghiên cứu thông tin Laser khí tức dùng khí làm môi trờng truyền dẫn Sau đà phát hạn chế khắc phục đợc nó, môi trờng truyền dẫn không ổn định, luôn bị ảnh hởng mây, ma, tuyết, vật cản.v.v làm cho độ tin cậy thông tin thấp, ngời ta đà sớm chuyển hớng nghiên cứu vào thông tin vũ trụ, môi trờng chân không gần nh suốt đối víi tia Laser Cã thĨ nãi th«ng tin Laser chiÕm vị trí hàng đầu thông tin vũ trụ Hớng nghiên cứu thứ hai thông tin Laser thông tin cáp sợi quang với môi trờng truyền dẫn sợi thuỷ tinh Tiền đồ phụ thuộc nhiều vào kết nghiên cứu sợi thuỷ tinh, ta gọi chung sợi quang Sợi quang ống dẫn sóng điện môi, mặt lý thuyết đà đợc Hondros Debye nghiên cứu từ năm 1910 Sợi quang gồm lõi thuỷ tinh đợc bọc lớp thuỷ tinh có chiết suất nhỏ đợc đề suất chế tạo vào năm 1954 A.C.S.VanHeel H.H.Hopkind N.S.Kapany đợc sử dụng hạn chế để truyền hình ảnh máy nội soi Sự phát minh Laser vào năm 1960 đà thúc đẩy nhanh chóng việc nghiên cứu chế tạo sợi quang mà mục tiêu chủ yếu nghiên cứu giảm suy hao sợi quang Có thể nói lịch sử phát triển sợi quang lịch sử nghiên cứu giảm thiểu suy hao sợi quang hình 1-1 Năm 1967 suy hao sợi quang lớn khoảng 1000dB/Km Hệ số suy hao đợc xác định nh sau: = [ ] Pout dB 10 log L Pin km Trong đó: L: Chiều dài sợi quang, Km Pout: Công suất cuối sợi quang Pin: Công suất ánh sáng bơm vào sợi quang : Hệ số suy hao sợi quang, dB/Km Đến năm 1975 đà chế tạo thành công sợi quang đa thành phần với suy hao 20dB/km Thành công lớn việc nghiên cứu giảm suy hao sợi quang việc chế sỵi quang b»ng thủ tinh silice víi suy hao cỡ 0,5dB/Km vào năm 1976-1978 Điều có ý nghĩa định đến lịch sử phát triển thông tin cáp sợi quang (TTCSQ) Với thành tựu đó, năm 1978 hệ thống thông tin cáp sợi quang đà đợc lắp đặt Atlanta (Mỹ) với vận tốc 45Mbps cự li 10Km Sợi thuỷ tinh đa phần TiO2, SiO2, GeO2, Al2O3, P2O5, B2O3 104 103 Suy hao cđa sỵi quang[dB/Km] 102 10 Sỵi thủ tinh Silice 196 196 197 197 198 Nă m Hình 1-1 Quá trình nghiên cứu giảm suy hao sợi quang Đến năm 1980 suy hao sợi quang 0,25dB/Km vùng cửa sổ 1550nm đà đợc sản xuất cách công nghiệp, hệ thống thông tin quang đà đợc ứng dụng rộng rÃi Từ thông tin cáp sợi quang luôn chiếm vị trí chiến lợc quan trọng việc phát triển hệ thống mạng viễn thông quốc gia nh quốc tế Ngày với tiến đạt đợc việc chế tạo diode Laser đơn tần thành tựu khuếch đại quang sợi ( EDFA- Erbium doped fiber amplifier ) công nghệ ghép kênh theo bớc sóng, thực đợc hệ thống truyền dẫn với tốc độ tới vài chục Gbps cự li hàng ngàn kilomet Các hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang đợc ứng dụng mạng viễn thông mà đợc ứng dụng hệ thống máy tính, hệ thống truyền dẫn công nghiệp, dân dụng, tầu thuỷ, máy bay.v.v 1.2 Những u điểm hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang có u điểm sau: Độ rộng băng tần lớn ( kho¶ng 15 THz ë vïng cưa sỉ 1550nm ) vµ suy hao nhá ( cì 0,2 dB/Km ë bíc sãng 1550nm ) cho phÐp trun dÉn tèc ®é bit cao cự li trạm lặp lớn, nên hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang có tính kinh tế cao Tính an toàn bảo mật cao so với hình thức thông tin khác, nh thông tin viba, thông tin vệ tinh, thông tin di động thông tin cáp đồng.v.v không bị rò sóng điện từ đợc chôn dới đất Sợi quang có kích thớc nhỏ, gọn, nhẹ không bị ăn mòn môi trờng nớc, axit, kiềm.v.v có độ bền cao Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang có khả nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bít cao công nghệ ghép kênh theo bớc sóng ( WDM ), khuếch đại sợi quang Tuy hệ thống thông tin cáp sợi quang có số hạn chế: - Không truyền dẫn đợc nguồn lợng có công suất cao, hạn chÕ møc miliwatt - TÝn hiƯu trun qua sỵi quang bị suy hao tán xạ làm méo dạng tín hiệu làm ảnh hởng đến độ tin cậy (BER) cự ly truyền dẫn - Thiết bị đầu cuối sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại 1.3 Các hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang mạng viễn thông 1.3.1 Hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang điều chế cờng độ tách sóng trực tiếp IMDD Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang IMDD( Intensity Modulation_Direct Detection đợc biểu diễn hình 1.2 Các luồng tín hiệu điện Khối ghép kênh Bộ biến đổi E/O Bộ điều Nguồn quang Thiết bị đầu ểncuối tuyến Bộ biến đổi O/E Cáp Cáp Trạm quan lặp quan g g Khuếc h đại Các luồng tín hiệu điện Khôi Khối phục tách tín kênh hiệu Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thông tin cáp sợi quang Trong hệ thống IM-DD, ngời ta dùng tín hiệu điện dạng số tơng tựđể điều chế cờng độ xạ nguồn quang nhờ biến đổi điện quang E/O đầu thu qua biến đổi quang-điện O/E tín hiệu điện đợc tách trực tiếp từ công suất quang thu đợc Các hệ thống thông tin cáp sợi quang sử dụng áp dụng công nghệ Hệ thống IM-DD có u điểm đơn giản công nghệ nguồn quang, sợi quang thu quang không yêu cầu cao thông số, chế độ hoạt động, độ rộng phổ, ổn định tần số, ổn định nhiệt độ, phân cực ánh sáng v.v nhng truyền dẫn tốc độ bít cao( lớn 2,5Gbps) hệ thống có nhiều hạn chế, nh độ nhạy thu bị giảm mạnh nên cự ly khoảng lặp nhỏ Các hệ thống thông tin cáp sợi quang truyền dẫn tốc độ bit cao dùng tiêu chuẩn phân cấp số đồng 1 SDH ( Synchronous Digital Hierarchy ) tèc ®é 155 Mbps, 622 Mbps, 2500Mbps 10Gbps Nhờ sử dụng khuếch đại quang sợi (EDFA) mà cự ly tuyến truyền dẫn quang với tốc độ 2,5Gbps ®Êt liỊn ®¹t tíi 120 150 Km Víi hƯ thống cáp quang biển, thực đợc tuyến 2,5Gbps víi cù ly 10.000Km, ®ã ®· sư dơng 199 khuếch đại quang sợi EDFA Một hệ thống thông tin cáp sợi quang gồm khối sau: 1.Khối ghép /tách kênh ( MUX/DEMUX ) nhằm ghép nguồn tín hiệu có tốc độ thấp PDH( Plesiochronous Digital Hierarchy ), 2Mbps, 34Mbps,140Mbps thµnh lng tÝn hiƯu cã tốc độ cao ( cấp sở SDH 155Mbps ) ngợc lại 2.Khối phát gồm có mạch điều khiển, nguồn quang để biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang truyền vào sợi quang Các hệ thống thông tin quang ( Coherence ) kết hợp lại áp dụng nguyên lý điều pha, điều tần điều chế phân cực tín hiệu quang 3.Cáp sợi quang để truyền tín hiệu quang 4.Trạm lặp ( Repeater ), khuếch đại quang c¸c tun cã cù ly lín 5.Khèi thu quang gåm có photodiode để biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khối khuếch đại khôi phục tín hiệu 6.Có thể hệ thống hoá trình phát triển hệ thống thông tin cáp sợi quang qua bốn hệ sau: - Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa mode chiết suất bậc (MM-SI-Multimodal-Step Index ), hoạt động vùng bớc sóng 850nm Linh kiện phát thu thờng đợc sư dơng lµ LED ( Light Emitting Diode ) vµ photodiode PIN, cự ly truyền ngắn, tốc độ thấp - Thế hệ 2: Sử dụng sợi quang đa mode loại GI, hoạt động bớc sóng 850nm 1300nm Nhê sư dơng diode Laser ph¸t ë vïng bíc sóng có độ rộng phổ nhỏ nên hệ thống làm việc tốc độ bit cao cự ly lớn đạt tới hàng vài chục kilomet - Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode ( Single mode-SI ) hoạt động bớc sóng 1300nm Do sợi quang đơn mode có băng tần lớn nhiều so với sợi quang đa mode nên hệ thèng TTCSQ thÕ hƯ thø nµy cã thĨ trun với tốc độ hàng trăm Mbps qua cự ly không cần trạm lặp lên tới 100Km - Thế hệ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode, hoạt động bớc sóng 1550nm hệ thống ngời ta bắt đầu sử dụng diode Laser đơn mode có độ rộng phổ rÊt hĐp nh diode Laser håi tiÕp ph©n bè DFB ( Distributed Feed Back ) cho phÐp truyÒn dÉn tèc ®é 2,5Gbps qua cù ly 120 150 Km kh«ng cần trạm lặp.Sự phân chia hệ đợc mô tả hình 1-3 Hệ thống thông tin Cohere -Ghép quang &khuếch đại nt WDM quang sợi 100 1550n m 10 Kho ảng lặp (Km ) DFBL -InGaAsA D p 1300n m (FPL -GeAP ) D D 1300nm 1550nm 850n m Sợi đa mode 0.0 Sợi đơn mode Sợi SDF 10 Hình 1.3 Các phát triển của0hệ thống0 thông tin 1 hệTố đ b (Gbi/ c sợi ộ quang t s) cáp Hiện để cao tốc độ bit cự ly truyền dẫn ngời ta tận dụng khai thác hệ thứ cách sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA công nghệ ghép kênh theo bớc sóng (WDM) Hớng nghiên cứu cạnh tranh mạnh mẽ với hớng nghiên cứu thông tin quang kết hợp ( Coherence ) hệ thống sử dụng công nghệ không phức tạp nhng lại đạt hiệu cao 1.3.2 Hệ thống thông tin quang kết hợp ( Coherence ) Đà từ nhiều năm nay, ngời ta tiến hành nghiên cứu nhằm cao tốc độ cự ly truyền dẫn theo hớng thông tin quang kết hợp, mà chủ yếu nâng cao độ nhạy thu ứng dụng công nghệ ghép kênh theo tần số( FDM-Frequency Division Multiplexing ) Các u điểm bật hệ thống thông tin quang Coherence hình 1-4 so với hệ thống IM-DD là: Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15 30dB Điều cho phép tăng cự ly truyền dẫn không trạm lặp tới 100Km ( Hình 1-5 ) Nâng cao lựu truyền dẫn nhờ khả sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM Víi kü tht FDM, ta cã thĨ sư dơng băng thông tới 20.000GHz bớc sóng 1300 1600nm, tơng đơng với khả truyền dẫn 120 triệu kênh thoại đôi sợi quang Tín hiệu vào Diode Điều chế laser Khối phát Điều khiển phân cực Cáp sợi quang Khối thu quang Bộ dao động nội Bộ khuếch đại quang Mạch trung tần Khuếch đại giải điều chế Tín hiệu Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin quang coherent Hình 1.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ độ nhạy thu tốc độ bit theo sơ đồ thu khác 1.4 Những xu hớng phát triển thông tin cáp sợi quang Các nghiên cứu thông tin cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu là: Năng cao tốc độ truyền dẫn tăng cự li khoảng lặp Các hớng phát triển thông tin cáp sợi quang hiƯn cã thĨ tãm lỵc nh sau: 1.Sư dơng công nghệ ghép kênh theo bớc sóng Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bớc sóng đợc mô tả hình 1-6 Trong hệ thống WDM ngời ta thờng sử dụng diode Laser DFB DBR nguồn quang có độ rộng phổ hẹp cỡ 0,1nm Khoảng cách kênh đợc chọn phụ thuộc vào độ ổn định nhiệt thờng vào khoảng 2nm Trong khoảng từ 1545.6nm đến 1570.6nm, ngời ta ghép đợc 18 kênh Nếu kênh truyền tốc độ 2,5Gbps tơng đơng với 30240 kênh thoại hệ thống truyền 500.000 kênh thoại đôi sợi quang HiƯn thùc tÕ ngêi ta ®· thùc đợc hệ thống WDM truyền tốc độ 40Gbps cách ghép WDM 16 luồng tốc độ 2,5Gbps Về cự ly trạm lặp tùy thuộc vào độ khuếch ®¹i cđa EDFA cã thĨ ®¹t tíi 120 Km, nÕu độ khuếch đại 20dB 30dB Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bớc sóng Cũng cần nói thêm EDFA đóng vai trò quan trọng hệ thống WDM Do EDFA đợc quan tâm nghiên cứu hoàn thiện mà hớng chủ yếu làm phổ khuếch đại vấn đề tạp âm EDFA 2.Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo tần số FDM đợc biểu diễn hình 1-7