Kh¸i NiÖm Chung Giới thiệu tổng quan về thông tin quang WDM Phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang wdm Lời nói đầu Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ[.]
WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang Phương pháp thiết kế hệ thống thông tin quang wdm Lời nói đầu Trong năm gần đây, hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hết Trên giới bước vào thời đại cạnh tranh lĩnh vực thông tin Cùng với phát triển giới, Việt Nam ngày hoà nhập tiếp cận tương xứng với nước lĩnh vực thơng tin, viễn thơng Các mạng thơng tin điển hình có cấu trúc điển hình gồm có nút mạng tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn khác cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng viba, thông tin vệ tinh Nhu cầu truyền thông ngày tăng mạng truyền dẫn khơng thể đáp ứng nhu cầu lý khác Cách 20 năm hệ thống truyền dẫn thơng tin cáp sợi quang thức đưa vào khai thác hoạt động mạng viễn thơng Đây hệ thống truyền thơng có khả đáp ứng yêu cầu với ưu điểm băng tần rộng, có cự ly thơng tin xa, khơng bị ảnh hưởng sóng điện từ khả bảo mật thông tin cao giá thành chấp nhận Các hệ thống thơng tin cáp sợi quang không đáp ứng lĩnh vựu viễn thơng mà cịn có tiềm to lớn thực chức mạng nội hạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Đối với Việt Nam, để đáp ứng nhu cầu sử dụng tiến kịp nước tiên tiến giới lĩnh vực viễn thơng, Ngành Bưu Điện Việt Nam hồn thành số hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng dưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn Quốc Gia 2.5Gbit/s với cấu hình ring Và cịn phát triển thêm nhiều dịch vụ có sử dụng hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang Tuy nhiên, Việt Nam nước nghèo lại đứng trước thử thách lớn là: phải nâng cấp hạ tầng sở viễn thông theo hướng ứng dụng công nghệ truyền dẫn quang hố- loại hình có giá thành cao Tiêu chí phát triển theo phương thức đón đầu cơng nghệ giá thành phải mức chấp nhận Kinh tế Quốc dân Là sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông, thời gian tới kĩ sư hoạt động lĩnh vực nên em nhận thức sâu sắc để đạt mục tiêu cần phải có hiểu biết đầy đủ rõ ràng hệ thống, tính thiết bị, cách khai thác thiết bị tối ưu sở vật chất có Chương i : Giới thiệu thông tin quang Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng ứng dụng Internet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh địi hỏi băng thông ngày cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp Các hệ thống thông sợi quang với thuận lợi băng thơng (tần số sóng mang cỡ 200THz), trọng lượng kích thước nhỏ; tín hiệu cách biệt điện, khơng có giao thoa suy hao đường truyền thấp Những ưu điểm phát triển cho ứng dụng rộng rãi mạng truyền dẫn Để tận dụng ưu điểm (đặc biệt độ rộng băng tần sợi quang), việc phân luồng (định tuyến) chọn lựa (gán) bước sóng hợp lý cho tín hiệu đến - tuyến sợi quang cơng việc có ý nghĩa nhằm phát huy lực tiềm tàng sợi việc tăng dung lượng đường truyền Trên giới mạng WDM thương mại hoá từ năm 1996 Xu phát triển mạng giới Việt nam xây dựng mạng truyền tải toàn quang cho mạng NGN (Next Generation Network- Mạng hệ sau) dựa công nghệ WDM Những nỗ lực phi thường cơng nghệ truyền dẫn quang tập trung vào việc nghiên cứu vấn đề công WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang nghệ mạng WDM giới dần đáp ứng nhu cầu phát triển mạng tất yếu mạng Có nhiều vấn đề cần phải giải mạng WDM nhằm ngày hồn thiện đặc tính mạng WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang 1.1 Khái quát chung Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, người biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu Qua thời gian dài lịch sử phát triển nhân loại, hình thức thơng tin phong phú dần ngày phát triển thành hệ thống thông tin đại ngày nay, tạo cho nơi giới liên lạc với cách thuận lợi nhanh chóng trình độ phát triển cao thơng tin nay, hệ thống thông tin quang lên hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, triển khai nhanh mạng lưới viễn thông nước giới với đủ cấu hình linh hoạt, tốc độ cự ly truyền dẫn phong phú, bảo đảm chất lượng dịch vụ viễn thơng tốt Thơng tin quang có tổ chức hệ thống tương tự hệ thống thơng tin khác, mà thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thơng tin chung hình 1.1 Đây ngun lý thơng tin mà lồi người sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thơng tin Trong sơ đồ tín hiệu cần truyền phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng đầu thu thu lại tín hiệu cần truyền Như vậy, tín hiệu thơng tin từ nơi gửi tín hiệu tới nơi nhận tín hiệu đến Đối với hệ thống thơng tin quang mơi trường truyền dẫn sợi dẫn quang, thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu Nơi tín hiệu Thiết bị phát Mơi trường truyền dẫn Phía phát tín hiệu Thiết bị thu Nơi tín hiệu đến Phía thu tín hiệu Hình 1.1 Các thành phần hệ thống thông tin 1.2 Tiến trình phát triển hệ thống thơng tin quang Vào năm 1960, việc phát minh laser để làm nguồn phát quang mở thời kỳ có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Theo lý thuyết cho phép người thực thông tin với lượng kênh lớn vượt gấp nhiều lần hệ thống viba có.Hàng loạt thực nghiệm thơng tin bầu khí tiến hành sau Một số kết ban đầu thu tiếc chi phí cho cơng việc q tốn kém, kinh phí tập trung cho việc sản xuất thành phần thiết bị để vượt qua cản trở điều kiện thời tiết (mưa, sương mù, tuyết, WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang bụi ) gây số khổng lồ Chính chưa thu hút ý mạng lưới Một hướng nghiên cứu khác thời gian tạo hệ thống truyền tin đáng tin cậy hướng thông tin qua khí phát minh sợi dẫn quang Các sợi dẫn quang lần chế tạo có suy hao lớn (tới khoảng1000dB/km) tạo mơ hình hệ thống có xu hướng linh hoạt Tiếp sau đó, năm 1966 Kao, Hockman Werts nhận thấy suy hao sợi dẫn quang chủ yếu tạp chất có vật liệu chế tạo sợi gây Họ nhận định làm giảm suy hao sợi chắn tồn điểm dải bước sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ Những nhận định sáng tỏ Kapron, Keck Maurer chế tạo thành cơng sợi thuỷ tinh có suy hao 20dB/km Corning Glass vào năm 1970 Suy hao nhỏ nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi cho phép tạo cự ly truyền dẫn tương đương với hệ thống truyền dẫn cáp đồng Với cố gắng không ngừng nhà nghiên cứu, sợi dẫn quang có suy hao nhỏ đời Cho tới đầu năm 1980, hệ thống thông tin sợi dẫn quang phổ biến rộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm Cho tới nay, sợi dẫn quang đạt dưói mức suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154dB/km bước sóng 1550nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang hai thập niên qua Giá trị suy hao gần đạt tới tính tốn lý thuyết cho sợi đơn mốt 0,14dB/km Cùng với công nghệ chế tạo nguồn phát thu quang, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại là: - Suy hao truyền dẫn nhỏ - Băng tần truyền dẫn lớn - Có tính bảo mật tín hiệu thơng tin - Có kích thước trọng lượng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy linh hoạt - Sợi chế tạo từ vật liệu có sẵn Do có ưu điểm trêm mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi mạng lưới Chúng xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị xuyên lục địa, vượt Đại Tây Dương,… Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn Bắc Mĩ, Châu Âu hay Nhật Bản, xem bảng 1.1 Khối Bắc Mĩ Tốc độ bit Mbps Số kênh thoại 1.544 Nhật Bản Tốc độ bit Mbps Số kênh thoại Mbps Số kênh thoại 24 2.048 30 1.544 24 6.312 96 8.448 120 6.312 96 44.736 672 34.368 480 32.064 480 274.176 4032 139.264 1920 97.728 1440 - - 565.148 7680 396.200 5760 Phân cấp Tốc độ bit Khối Châu Âu Bảng 1.1- Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn Bắc Mĩ, Châu Âu Nhật Bản Ngồi tốc độ trên, có tiêu chuẩn phát triển năm gần gọi SONET (synchronous Optical Network), tốc độ truyền dẫn có khác chút ít, xác định cấu trúc khung đồng để gửi lưu lượng ghép kênh số sợi quang Khối cấu trúc phân cấp tín hiệu SONET gọi “tín hiệu truyền đồng cấp 1” có tốc độ 51.84 Mbitps Các tín hiệu cấp cao tín hiệu OC-N có tốc độ đường truyền gấp N lần tín hiệu OC-1 Bảng 1.2 mức OC-N SONET Mức OC-1 OC-3 OC-9 OC-12 OC-18 OC-24 OC-36 OC-48 Tốc độ truyền 51.84 155.52 466.56 622.08 933.12 1244.16 1866.24 2488.32 Mbitps Bảng 1.2- Các mức phân cấp tín hiệu SONET Hiện hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tất tín hiệu tương tự số, chúng cho phép truyền tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mạng số hoá liên kết đa dịch vu ISDN Số lượng cáp lắp đặt giới với số lượng lớn., đủ tốc độ truyền dẫn với cự li khác nhau, cấu trúc da dạng Các hệ thóng thơng tin quang mũi đột phá tốc độ, cự li truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thơng cấp cao WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang Chương ii : Cơ kĩ thuật thông tin cáp sợi quang Chương giới thiệu sơ lược số thông tin kĩ thuật thông tin cáp sợi quang Phần đầu chương trình bày sợi quang, số tham số bản, suy hao tán sắc Từ tán sắc mode sợi đa mode hạn chế lớn đến đường truyền, người ta đưa sợi chiết suất giảm dần tối ưu sợi đơn mode Tuy nhiên, lúc số loại tán sắc khác tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc phân cực tồn nên cần phải nghiên cứu tìm phương cách khắc phục, loại trừ Phần sau chương đề cập tới thiết bị dùng mạng WDM Một số linh kiện chính, quan trọng mạng nguồn quang, tách quang, khuếch đại quang (đặc biệt EDFA sử dụng rộng rãi mạng WDM với đặc tính phù hợp với mạng tại) Để mạng WDM tồn hoạt động tốt, cần có thành phần khác OADM, chuyển mạch quang hay nối chéo số… WDM Giới thiệu tổng quan thông tin quang 2.1 Sợi dẫn quang: 2.1.1 Giới thiệu cáp sợi quang: 2.1.1.1 Bản chất ánh sáng: Một cách chung nhất, coi ánh sáng chùm phần tử hạt nhỏ bé phát từ nguồn sáng Các phần tử hình dung theo đường thẳng thâm nhập vào môi trường suốt lại bị phản xạ gặp môi trường đục Quan điểm mô tả đầy đủ hiệu ứng quang học phạm vi riêng , ví dụ tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng, lại không dùng thuyết để giải thích tượng nhiễu xạ giao thoa , nhiên tượng nhiễu xạ giao thoa hãn hữu Năm 1864, Maxwell chứng minh lý thuyết chất sóng ánh sáng sóng điện từ Hơn quan sát hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy chuyển động sóng ln vng góc với hướng mà sóng đi, điều sóng ánh sáng sóng ngang Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang sóng điện từ phát từ nguồn nhỏ đặc trưng loạt mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt trung tâm mặt cầu Mặt sóng xác định quỹ tích tất điểm loạt sóng pha 2.1.1.2 Cấu trúc sợi dẫn quang mode truyền dẫn: Sợi dẫn quang có cấu trúc ống dẫn sóng hoạt động dải tần số quang, có dạng hình trụ bình thường có chức dẫn ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục Để bảo đảm lan truyền ánh sáng sợi, cấu trúc gồm có lõi hình trụ làm vật liệu thuỷ tinh có số chiết xuất n lớn bao quanh lõi vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi có chiết xuất n 2