Giáo trình Thông tin quang giúp các bạn học viên có thể trình bày được cấu tạo và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang. Trình bày được các thành phần trong mạng thông tin quang thực tế hiện nay. Trình bày được cấu tạo - nguyên lý hoạt động của bộ thu phát quang, các thiết bị quang trong hệ thống thông tin quang. Trình bày được các kỹ thuật ghép kênh trong thông tin quang. Phân biệt được các loại và đầu nối sợi quang khác nhau.
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: THƠNG TIN QUANG NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020 ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: THƠNG TIN QUANG NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP THƠNG TIN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Họ tên: Nguyễn Thanh Nhật Trường Học vị: Kỹ sư kỹ thuật điện tử viễn thông Đơn vị: Khoa Điện – Tự động hóa Email: nguyenthanhnhattruong@hotec.edu.vn TRƯỞNG KHOA TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI HIỆU TRƯỞNG DUYỆT Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Lĩnh vực Thông tin quang lĩnh vực quan trọng chuyên ngành đào tạo nghề ngành CNKT Điện tử - viễn thông Đứng trước thực trạng đó, tác giả thấy tầm quan trọng phải có giáo trình Thơng tin quang để phục vụ cho mục đích tham khảo, tài liệu học tập nghiên cứu học sinh sinh viên Ngoài giáo trình Thơng tin quang viết theo đề cương chi tiết môn học Thông tin quang chương khung Tổng cục giáo dục nghề nghiệp Lời cho gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Khoa Điện – Tự động hóa, q thầy tổ viễn thông khoa tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành giáo trình Do thời gian hạn chế nên giáo trình khơng thể tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp ý kiến q thầy để giáo trình ngày hoàn thiện Xin cảm ơn! TPHCM, ngày 01 tháng 02 năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Thanh Nhật Trường KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang 1.2 Giới thiệu hệ thống thơng tin quang điển hình 10 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 10 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 12 1.3 Ứng dụng xu phát triển 13 1.3.1 Ứng dụng viễn thông 13 1.3.2 Ứng dụng dịch vụ tổng hợp 14 CHƯƠNG 2: SỢI QUANG 18 2.1 Một số vấn đề ánh sáng 18 2.1.1 Sóng điện từ 18 2.1.2 Quang hình 21 2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index) 21 2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần định luật Snell 22 2.1.3 Lượng tử 24 2.2 Mơ tả quang hình q trình truyền ánh sáng sợi quang 25 2.2.1 Cấu tạo sợi quang 25 2.2.2 Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 26 2.2.3 Phân loại sợi quang 28 2.2.3.1 Sự phân bố chiết suất sợi quang 28 2.2.3.2 Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index) 28 2.2.3.3 Sợi chiết suất biến đổi GI (Graded-Index) 29 2.2.3.4 Sợi đa mode (Multi-Mode), sợi đơn mode (Single-Mode) 30 2.3 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 33 2.3.1 Suy hao 33 2.3.1.1 Tổng quan 33 2.3.1.2 Suy hao hấp thụ 34 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 2.3.1.3 Suy hao tán xạ tuyến tính 35 2.3.1.4 Suy hao uốn cong 37 2.3.1.5 Suy hao dải thông 37 2.3.2 Tán sắc 38 2.3.2.1 Tổng quan 38 2.3.2.2.Tán sắc mode 39 2.3.2.3 Tán sắc vật liệu 41 2.3.2.4 Tán sắc ống dẫn sóng 43 2.3.2.5 Tán sắc phân cực mode 44 2.3.2.6 Mối quan hệ tán sắc dải thông 45 2.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến 46 2.4 Một số loại sợi quang 48 2.5 Cáp sợi quang 54 2.5.1 Sản xuất sợi quang 54 2.5.1.1 Yêu cầu sợi quang 54 2.5.1.2 Chế tạo sợi quang 54 2.5.1.3 Các biện pháp bảo vệ sợi quang 54 2.5.2 Cấu trúc cáp sợi quang 58 CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 71 3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 71 3.1.1 Mức lượng (Energy Level) 71 3.1.2 Các nguyên lý biến đổi quang điện 73 3.1.3 Vùng lượng (Energy Band) 75 3.1.4 Nguồn quang bán dẫn (Semiconductor Light Source) 76 3.2 LED (Light Emitting Diode) 79 3.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 79 3.2.2 Đặc tính P-I LED 80 3.2.3 Đặc tính phổ LED 81 3.2.4 Cấu trúc LED 83 3.3 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 85 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 3.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Laser 85 3.3.2 Hốc cộng hưởng Fabry-Perot 86 3.3.3 Độ khuếch đại quang 87 3.3.4 Đặc tính phổ Laser Fabry-Perot 89 3.3.5 Nhiễu Laser 90 3.4 Các đặc tính kỹ thuật nguồn quang 91 3.4.1 Đặc tuyến P-I nguồn quang 91 3.4.2 Góc phát quang 92 3.4.3 Hiệu suất ghép quang 94 3.4.4 Độ rộng phổ 95 3.4.5 Thời gian lên (rise time) 95 3.4.6 Ảnh hưởng nhiệt độ: 96 3.5 Các nguồn Laser bán dẫn đơn mode 98 3.5.1 Laser hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Laser) 98 3.5.2 Laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg Reflector Laser) 99 3.5.3 Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (Coupled Cavity Semiconductor Laser) 99 3.6 Bộ phát quang .101 3.6.1 Sơ đồ khối phát quang 101 3.6.2 Mạch phát điều biến cường độ trực tiếp .102 3.6.3 Bộ điều chế 105 CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG 109 4.1 Khái niệm 109 4.1.1 Nguyên lý chung 109 4.1.2 Những thông số linh kiện tách sóng quang 111 4.1.2.1 Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency) 111 4.1.2.2 Đáp ứng (Responsivity) 111 4.1.2.3 Độ nhạy (Sensitivity) 115 4.1.2.4 Dải động (Dynamic Range) 115 4.1.2.5 Nhiễu (Noise) 116 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 4.1.3 Sơ đồ khối thu quang .116 4.1.4 Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện .117 4.1.5 Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện 118 4.2 Các linh kiện biến đổi quang - điện bán dẫn (Photodiode) 119 4.2.1 Photodiode P-N 119 4.2.2 Photodiode PIN 120 4.2.3 Photodiode APD 123 4.3 Đặc tính kỹ thuật Photodiode 125 4.3.1 Độ nhạy .125 4.3.2 Hiệu suất lượng tử .125 4.3.3 Đáp ứng .126 4.3.4 Dải động 126 4.3.5 Dòng tối 126 4.3.6 Độ ổn định 127 4.3.7 Điện áp phân cực .127 4.3.8 Tóm Tắt .127 4.4 Các tiền khuếch đại 127 4.4.1 Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp 128 4.4.2 Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao .128 4.4.3 Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp 129 4.5 Nhiễu thu quang .130 4.5.1 Nhiễu nỗ 131 4.5.2 Nhiễu nhiệt 131 4.5.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu 132 4.5.4 Công suất nhiễu tương đương .132 4.6 Các tham số thu quang 133 4.6.1 Tỉ số lỗi bit 133 4.6.2 Mối quan hệ BER SNR 134 4.6.3 Độ nhạy thu .134 4.6.4 Mạch định 136 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA CHƯƠNG 5: MỘT SỐ CƠNG NGHỆ MỚI TRONG THÔNG TIN QUANG 140 5.1 Mạng FTTx 142 5.1.1 Khái niệm 142 5.1.2 Phân loại FTTX 142 5.1.3 Ưu nhược điểm mạng FTTX 144 5.1.4 Ứng dụng FTTX 146 5.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) 146 5.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 146 5.2.2 Đặc điểm hệ thống 149 5.3.Mạng WDM 150 5.3.1 Một số thành phần mạng WDM 150 5.3.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật mạng WDM 154 5.4 AON PON 155 5.4.1 Mạng AON 156 5.4.2 Mạng PON 157 5.4.3 Các chuẩn mạng PON .160 TÀI LIỆU THAM KHẢO 163 PHỤ LỤC BẢNG 164 PHỤ LỤC HÌNH 165 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Thơng tin quang Mã mơn học: MH2102128 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học chun ngành, Học kỳ - Tính chất: Mơn học bắt buộc - Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: có ý nghĩa quan trọng việc đóng góp cho lý thuyết chuyên môn, tảng thiếu lĩnh vực viễn thông Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày cấu tạo nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang + Trình bày thành phần mạng thông tin quang thực tế + Trình bày cấu tạo - nguyên lý hoạt động thu phát quang, thiết bị quang hệ thống thơng tin quang + Trình bày kỹ thuật ghép kênh thông tin quang + Phân biệt loại đầu nối sợi quang khác + Phân biệt loại cáp quang khác + Giải thích tượng, thơng số ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu sợi quang - Về kỹ năng: + Tính tốn suy hao sợi quang thơng số đặc trưng hệ thống truyền dẫn quang - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Tích cực tham gia đầy đủ buổi học + Thái độ học tập nghiêm túc, làm tập nhà đầy đủ + Tham khảo thêm tài liệu khác để hình thành tính tự học KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA Chương 5: Một số cơng nghệ thơng tin quang Trong hình b: Một AWG thơng thường bao gồm ghép hình liên kết với thơng qua ma trận ống dẫn sóng có chiều dài khơng Mỗi ống dẫn sóng có liên quan đến ống dẫn sóng liền kề độ lệch chiều dài hai ống dẫn sóng kế cận khơng đổi Các ống dẫn sóng có chức cách tử quang học để làm phân tán tín hiệu có bước sóng khác Tên gọi khác AWG định tuyến bước sóng WGR (wavelength grating router) Một đặc điểm quan trọng hữu ích AWG chu kỳ định tuyến bước sóng minh họa bảng hình 5.7b Với ghép kênh bước sóng bình thường, bước sóng nằm ngồi dải phạm vi bước sóng gửi đến cổng đầu vào, đầu bước sóng bị “block” Thiết bị AWG thiết kế để đặc tính phân kênh theo bước sóng, lặp lại hết chu kỳ dải quang phổ gọi dải quang phổ tự (FSR) Hơn nữa, đầu vào đa bước sóng bị dịch đến cổng đầu vào lân cận, bước sóng đầu sau phân kênh bị dịch đến cổng đầu lân cận tương ứng Cyclical AWG (AWG có đặc tính chu kỳ) gọi AWG có tính suốt Đặc tính bước sóng theo chu kỳ AWG khai thác để dẫn đến nhiều đổi kiến trúc cách nhanh chóng Ví dụ, cách sử dụng hai cổng liền kề cho kết nối upstream downstream, bước sóng giống tái sử dụng cho việc truyền tải tiếp nhận ONU 5.3.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật mạng WDM Thiết kế kỹ thuật hệ thống WDM phức tạp, cân nhiều yếu tố tác động Nhiều hiệu ứng hệ thống WDM biết đến hệ thống đơn kênh Tuy nhiên cịn có số hiệu ứng khác truyền dẫn WDM, bao gồm: - Sự phân tách kênh băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng SRS đạt độ phẳng khuếch đại tối ưu từ khuếch đại ta phải xếp kênh gần tốt Dĩ nhiên điều cho có nhiều kênh (nếu cần) dung lượng cao hơn.Tuy nhiên, tác động FWM lại khơng cho phép kênh có khoảng cách q gần - Độ xác giá thành phần tử quang: Nói chung, phần tử quang xác ổn định chúng có giá thành đắt Độ rộng phổ nguồn laser hẹp tín hiệu ổn định có giá thành cao Những đánh giá tương KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 154 Chương 5: Một số cơng nghệ thông tin quang tự xét cho cách tử, lọc, phần lớn thiết bị khác Đây yếu tố quan trọng để định độ rộng dải thông khoảng cách kênh - Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa việc kiểm sốt tán sắc giảm nhỏ dải thơng tín hiệu sử dụng số phương pháp bù tán sắc Việc sử dụng sợi DSF bước sóng tán sắc (zero) vấn đề FWM Có thể giảm nhỏ dải thơng tín hiệu dải thông lại bị giãn rộng chúng tự điều chế ta giảm dải thơng tín hiệu xuống thấp 80 MHz lại xuất hạn chế hiệu ứng SBS Trong hệ thống có cự ly 100km tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên cần đến số phương thức quản lý tán sắc bù tán sắc Công suất tín hiệu (cho kênh): Một yếu tố để đánh giá hệ thống nhu cầu làm tăng khoảng cách khuếch đại Chi phí cho khuếch đại vấn đề Chi phí cho việc lắp đặt bảo dưỡng chúng trạm dọc theo tuyến cáp cao nhiều so với chi phí cho khuếch đại Vì cần phải tăng tối đa cơng suất cho kênh Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng cơng suất sử dụng: - Cơng suất cực đại có phát Đây thực công suất đầu lớn EDFA đặt phát Cho tới gần đạt khoảng 200 mW với phát triển khuếch đại EDFA nhiều tầng, giới hạn cơng suất đạt ngày 10 W - Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây hạn chế lớn lượng cơng suất dùng cho kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố - Vấn đề an toàn quan trọng Hầu tất hệ thống WDM phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm cần thiết phải có hệ thống bảo an toàn đặt vị trí xác định truy nhập hiệu riêng dịch vụ có chất lượng - Tạp âm: Như nói trên, tác động tích luỹ tạp ASE đánh giá chủ yếu khoảng cách khuếch đại - Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF Tuy nhiên, sợi DSF lại làm tăng đáng kể hiệu ứng FWM SRS Do ta nên dùng sợi tiêu chuẩn lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF) 5.4 AON PON Như biết, FTTX xem giải pháp hoàn hảo thay mạng cáp đồng nhằm cung cấp dịch vụ “triple play” các ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông (như chơi game trực tuyến hay xem video trực tuyến) Tuy KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 155 Chương 5: Một số cơng nghệ thơng tin quang nhiên nhược điểm FTTX chi phí cho linh kiện cáp quang tương đối cao dẫn tới giá thành lắp đặt đường quang lớn Có nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm số triển khai FTTX mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network) Hầu hết mạng quang nay, đường cáp quang từ nhà cung cấp chia sẻ cho số người sử dụng Khi đường cáp quang kéo tới phía người sử dụng, cần có chia quang để tách tín hiệu tới sợi quang riêng biệt tới người sử dụng khác Vì thế, xuất kiến trúc điển hình việc chia đường cáp quang mạng quang tích cực AON (Active Optical Network) mạng quang thụ động PON 5.4.1 Mạng AON AON (Active Optical Network - mạng quang chủ động) kiến trúc mạng điểm điểm (point to point), thơng thường th bao có đường cáp quang riêng chạy từ thiết bị trung tâm (Access Node) đến thuê bao hình 5.8 Hình 5.8 Sơ đồ mạng AON Ngồi mơ hình trên, thực tế tùy vào nhu cầu băng thông thuê bao, nhà cung cấp kết hợp cáp quang với cáp đồng để giảm chi phí, cụ thể cáp quang chạy từ Access Node tới tổng đài DSLAM từ DSLAM cung cấp dịch vụ truy cập băng rộng phổ biến ADSL2+, VDSL2… AON có nhiều ưu điểm như: tầm kéo dây xa, lên đến 70km mà không cần lặp (repeater); tính bảo mật cao, việc can thiệp nghe (eavesdropping) đường truyền gần không thể; dễ dàng nâng cấp băng thông thuê bao cần; dễ xác định lỗi… Tuy nhiên, công nghệ AON có khuyết điểm chi phí cao do: việc vận hành thiết bị đường truyền cần nguồn cung cấp, thuê bao sợi quang riêng, cần nhiều không gian chứa cáp … Một nhược điểm lớn mạng AON thiết bị chuyển mạch Với công nghệ tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 156 Chương 5: Một số cơng nghệ thơng tin quang thành tín hiệu điện để phân tích thơng tin tiếp tục chuyển ngược lại để truyền Điều làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa hệ thống FTTX Ngoài chuyển mạch có tốc độ cao nên thiết bị 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 phát triển thập niên 1980, phương pháp kinh tế để chia sẻ sở hạ tầng cáp quang cho điện thoại băng hẹp (TPON) cho sở kinh doanh Kể từ ứng dụng PON phát triển để tương tác với mạng băng rộng BPON (Broadband PON), Ethernet PON (EPON) GPON (Gigabit PON) Trong mạng PON, tất thành phần chủ động tổng đài CO người sử dụng khơng cịn tồn mà thay vào thiết bị quang thụ động, điều khiển lưu lượng mạng dựa việc phân tách lượng bước sóng quang học tới điểm đầu cuối đường truyền Việc thay thiết bị chủ động tiết kiệm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ họ khơng cịn cần đến lượng thiết bị chủ động đường truyền Các ghép / tách thụ động làm công việc đơn cho qua ngăn chặn ánh sáng… Vì thế, khơng cần lượng hay động tác xử lý tín hiệu từ đó, giảm chi phí bảo trì tổng thể cho nhà cung cấp dịch vụ Mạng quang thụ động (PON) xây dựng nhằm giảm số lượng thiết bị thu phát sợi quang mạng thông tin quang FTTX PON mạng điểm tới đa điểm; kiến trúc PON bao gồm thiết bị đầu cuối kênh quang đặt trạm trung tâm nhà khai thác dịch vụ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminal) đặt gần nhà thuê bao Giữa chúng hệ thống phân phối mạng quang ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, thiết bị tách ghép thụ động Kiến trúc PON mơ tả hình 5.9 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 157 Chương 5: Một số cơng nghệ thơng tin quang Hình 5.9 Mạng PON OLT (Optical Line Terminal – kết cuối đường quang) bao gồm khối giao tiếp PON, kết cấu chuyển mạch liệu NE (Network Element – phần tử điều khiển) OLT đặt phía nhà cung cấp dịch vụ, cịn ONT (Optical Network Terminal – kết cuối mạng quang) đặt phía người sử dụng OLT cung cấp nhiều kênh quang, kênh quang truyền tuyến cáp quang có chia Nhiệm vụ chia thu nhận tín hiệu quang nhận phát OLT Cáp quang truyền từ OLT trải dài kết nối tới ONT Các bước sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tùy theo lựa chọn) dùng cho băng thông chiều xuống từ OLT, bước sóng 1310 nm truyền theo hướng lên thiết bị ONT Hệ thống cung cấp địa chỉ, cung cấp băng thông cách tự động, việc mã hóa sử dụng để trì phân tách lưu lượng OLT ONT Tại hướng xuống, OLT phát quảng bá liệu tới tất ONU Tín hiệu hướng xuống bao gồm liệu cho ONT tín hiệu đồng cho ONT gửi liệu hướng lên Dựa vào thông tin khe thời gian (kênh), bước sóng, mã CDMA mà ONT tách liệu tương ứng với thuê bao khách hàng Trong hướng lên, ONU cần có giao thức MAC (Medium Access Control – điều khiển truy nhập môi trường) để chia sẻ PON Giao thức MAC thường sử KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 158 Chương 5: Một số cơng nghệ thông tin quang dụng PON đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, ONT cấp khe thời gian (kênh) để gửi liệu tới OLT Ngồi hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ nhóm gói liệu ONT, khoảng thời gian phải đảm bảo cho thu OLT liệu không bị chồng lấn lên Thông thường hệ thống PON truyền liệu hướng xuống hướng lên sợi quang Trên sợi nối định hướng cho phép sử dụng bước sóng cho hướng, nhiên hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thơng thường hướng sử dụng bước sóng riêng Trong mạng PON bước sóng sử dụng 1490nm 1550nm cho hướng xuống 1310nm cho tín hiệu đường lên Bảng 5.3 So sánh công nghệ AON PON Bảng so sánh hai công nghệ Cộng nghệ Băng thông thuê bao AON 100Mbps – 1Gbps PON 2.5Gbps/1.25Gbps không dùng splitter triển khai theo mơ hình điểm – điểm, nhiên thường chia thành 1:32 (78Mbps) hay 1:64 (39Mbps) Tăng băng thông tạm thời cho thuê bao (cần lưu dự phòng máy chủ, chẳng hạn) Đơn giản Phức tạp Số thuê bao bị ảnh hưởng có lỗi Ít Nhiều Thời gian xác định lỗi Nhanh Chậm Khả bị nghe Rất thấp Cao Độ tin cậy Cao tùy mơ hình Thấp, khơng có phương án kết nối KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 159 Chương 5: Một số công nghệ thông tin quang đường cáp đến thuê khách hàng PON bao kết nối theo dualhoming (có đường truyền khác nhau), vòng tròn (ring) hay kết nối Chi phí triển khai Thấp sợi quang từ OLT Cao thuê bao chia sẻ cho nhiều thuê bao qua sợi quang riêng chia thụ động Chi phí vận hành Cao: thiết bị Access Node cần cấp nguồn kích thước lớn, yêu cầu không gian Không gian cho cáp cần nhiều Chi phí nâng cấp Thấp, đặc tính điểm đến điểm việc nâng Cao tồn thuê bao cấp băng thông đơn dây PON (từ OLT qua splitter đến giản, chẳng hạn cần người dùng) phải nâng cấp thay thiết bị đầu cuối (CPE) Thấp OLT kích thước nhỏ passive splitter không cần cấp nguồn Phục vụ khoảng 8000 thuê bao cần không gian tủ rack 5.4.3 Các chuẩn mạng PON ❖ TDMA-PON (Time Division Multiple Access PON – PON đa truy cập phân chia theo thời gian): phân cho người dùng khe thời gian, tăng dung lượng cách tăng tốc độ bit, gồm chuẩn B-PON, G-PON E-PON Mỗi chuẩn có ưu, nhược điểm riêng Tại Việt Nam triển khai công nghệ theo chuẩn GPON Các chuẩn so sánh bảng 5.4 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 160 Chương 5: Một số cơng nghệ thông tin quang Bảng 5.4 So sánh chuẩn TDMA-PON ❖ CDMA-PON (Code Division Multiple Access PON – PON đa truy cập phân chia theo mã): CDMA-PON truyền tải tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn trải kênh thông tin Các ký hiệu từ tín hiệu khác mã hóa nhận dạng thơng qua giải mã Phần lớn công nghệ ứng dụng CDMA- PON tuân theo phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp Trong phương thức ký hiệu 0, (tương ứng với tín hiệu) {được mã hóa thành chuỗi ký tự dài có tốc độ cao hơn} Thách thức: - Các thành phần có chi phí cao Tuy nhiên, giá thành phần tử giảm dần năm gần đây, nhờ mà tính kinh tế mạng WDM-PON trở nên thích hợp Ví dụ, Korean Telecom bắt đầu đưa vào thử nghiệm WDMPON Những lợi ích tiêu chuẩn hóa WDM-PON tạo ITUT SG15 gần KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 161 Chương 5: Một số công nghệ thông tin quang - Kiểm sốt nhiệt độ Bước sóng phần tử WDM có khuynh hướng trơi theo nhiệt độ mơi trường Mà việc kiểm sốt nhiệt độ cần tiêu thụ lượng điện yêu cầu phải có linh kiện điện tử hoạt động mạng lưới phân phối quang Do để loại bỏ cần thiết phải kiểm sốt nhiệt độ, cơng nghệ tiến thực sản xuất linh kiện hệ thống WDM khơng dẫn nhiệt - Tính suốt hoạt động ONU Trong WDM-PON, ONU cần bước sóng khác cho kết nối upstream Và vấn đề nghiêm trọng hoạt động tính khả thi kinh tế Mỗi bước sóng đặc trưng ONU cho thấy thách thức đáng kể việc quản lý, tồn kho, bảo trì Rất nhiều giải pháp phát minh để thực khả hoạt động suốt ONU 20 năm qua CÂU HỎI ƠN TẬP 5.1 Trình bày nhu cầu băng thông rộng dịch vụ 5.2 Cơng nghệ FTTX gì? Trình bày cách phân loại mạng FTTX 5.3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM gì? Trình bày cấu tạo, ngun lý hoạt động thiết bị có mạng WDM? 5.4 Mạng AON PON gì? Trình bày so sánh ưu điểm nhược điểm hai mạng với 5.5 Vẽ sơ đồ kiến trúc mạng AON PON 5.6 Trình bày chuẩn mạng PON KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 162 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 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 163 PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng 13 Bảng 2.1 Các băng sóng vơ tuyến 20 Bảng 4.1 Tổng kết khoảng hữu dụng vật liệu PIN diode 121 Bảng 4.2 Độ nhạy số linh kiện bước sóng hoạt động 125 Bảng 4.3 Bảng so sánh đáp ứng PIN APD 126 Bảng 4.4 Bảng so sánh dòng tối PIN APD 126 Bảng 4.5 Bảng so sánh độ ổn định PIN APD 127 Bảng 4.6 Bảng so sánh điện áp phân cực PIN APD 127 Bảng 4.7 Bảng đặc tính photodiode 127 Bảng 5.1 Nhu cầu băng thơng số loại hình dịch vụ 140 Bảng 5.2 So sánh FTTx ADSL 145 Bảng 5.3 So sánh công nghệ AON PON 159 Bảng 5.4 So sánh chuẩn TDMA-PON 161 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 164 PHỤ LỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thông tin quang 10 Hình 1.2 Cấu trúc 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 trạm lặp quang 11 Hình 1.5 Kết nối tổng đài 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 khúc xạ ánh sáng 22 Hình 2.4 Ánh sáng 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 lượng 24 Hình 2.7 Cấu trúc sợi quang, gồm lõi (core) lớp bọc (cladding) 25 Hình 2.8 Ánh sáng lan truyền sợi quang 26 Hình 2.9 Khẩu độ số sợi quang 27 Hình 2.10 Dạng phân bố chiết suất lõi sợi SI 29 Hình 2.11 Minh họa ánh sáng sợi SI 29 Hình 2.12 Dạng phân bố chiết lõi sợi GI 29 Hình 2.13 Minh họa ánh sáng sợi GI 30 Hình 2.14 Ánh sáng sợi đa mode 32 Hình 2.15 Ánh sáng sợi đơn mode 32 Hình 2.16 Khái niệm suy hao sợi quang 33 Hình 2.17 Suy hao bên sợi quang 36 Hình 2.18 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ tăng 38 Hình 2.19 Tán sắc mode 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 tán sắc ống dẫn sóng sợi quang 43 Hình 2.22 Khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính bước sóng khác bị uống cong với góc khác tạo thành tượng cầu vịng Đó tượng tán sắc 44 Hình 2.23 Ánh sáng lan truyền sợi quang bị tán sắc hình 2.23 44 Hình 2.24 Minh hoạ tán sắc phân cực mode 45 Hình 2.25 Các mặt số chiết suất 49 Hình 2.26 Độ nghiên tán sắc sợi TrueWave, sợi TrueWave RS LEAF 50 Hình 2.27 (a) NZ-DSF bình thường (b) LEAF 51 Hình 2.28 Sự phân bố cơng suất lõi sợi DSF LEAF Công suất sợi LEAF phân bố với diện tích rộng 51 Hình 2.29 Tán sắc màu âm dương dải 1550 nm 53 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 165 Hình 2.30 Cấu trúc sợi quang đem làm cáp 55 Hình 2.31 Mặt cắt ngang sợi quang sau bọc lớp phủ 55 Hình 2.32 Mơ tả cấu trúc ống đệm lỏng 57 Hình 2.33 (a) Cấu trúc đệm khít, (b) đệm tổng hợp 57 Hình 2.34 Cấu trúc băng dẹp 58 Hình 2.35 Ví dụ cấu trúc cáp quang 59 Hình 2.36 Cấu trúc tổng quát cáp quang 60 Hình 2.37 Cấu trúc lớp (a) Cấu trúc lớp (b) Cấu trúc lớp 60 Hình 2.38 Thành phần chịu lực trung tâm cáp 61 Hình 2.39 Thành phần gia cường ngồi 62 Hình 3.1 Mơ hình ngun tử với điện tử quay hạt nhân với quỹ đạo ổn định 71 Hình 3.2 Biểu đồ mức lượng (energy level diagram) 72 Hình 3.3 Phân bố mật độ điện tử theo phân bố Boltzmann cân nhiệt 72 Hình 3.4 Các tượng biến đổi quang điện 73 Hình 3.5 Minh hoạ trạng thái chuyển đổi lượng điện tử photon 74 Hình 3.6 Vùng lượng chất bán dẫn 75 Hình 3.7 (a) Dải cấm lượng trực tiếp (b) Dải cấm lượng gián tiếp 77 Hình 3.8 Bước sóng ánh sáng phát xạ số loại bán dẫn nhóm III kết hợp với nhóm V 79 Hình 3.9 Cấu tạo nguyên lý hoạt động LED 79 Hình 3.10 Đặc tuyến P-I LED 81 Hình 3.11 Nguồn quang bán dẫn phát ánh sáng khoảng bước sóng 82 Hình 3.12 Đặc tính phổ 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 laser Fabry-Perot 85 Hình 3.18 Hốc cộng hưởng Fabry-Perot 86 Hình 3.19 Cơng suất ánh sáng lan truyền phản xạ qua lại hốc cộng hưởng Fabry-Perot 87 Hình 3.20 Phổ Laser Fabry-Perot 89 Hình 3.21 Nhảy mode laser đơn mode phía bước sóng dài cơng suất ngõ tăng 90 Hình 3.22 Nhiễu thành phần nguồn quang đa mode 91 Hình 3.23 Đặc tuyến P-I loại nguồn quang: SLED, ELED Laser 92 Hình 3.24 Góc phát quang SLED, ELED Laser 93 Hình 3.25 Ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang 94 Hình 3.26 Thời gian lên (rise time) nguồn quang 96 Hình 3.27 Dịng điện ngưỡng Ith laser thay đổi nhiệt độ thay đổi 96 Hình 3.28 (a) Cấu trúc laser DFB; (b) Phản xạ cách tử Bragg (c) Độ rộng phổ laser DFB 98 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA 166 Hình 3.29 Cấu trúc laser DBR 99 Hình 3.30 (a) Laser hốc cộng hưởng (External Cavity LASER), (b) hệ số phản xạ phụ thuộc bước sóng, (c) phổ LASER 100 Hình 3.31 Laser hốc cộng hưởng ngồi (External Cavity LASER) 100 Hình 3.32 LASER hốc cộng hưởng cắt (Cleaved - Cavity LASER) 101 Hình 3.33 Sơ đồ khối phát quang 101 Hình 3.34 Bộ phát quang 102 Hình 3.35 Sơ đồ khối đơn vị biến đổi 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 điều chế 105 Hình 3.40 Nguyên lý hoạt động điều chế ngòai MZM 106 Hình 4.1 Mối nối P-N phân cực ngược 110 Hình 4.2 Mơ hình vật lý photodiode 110 Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn R λ photodiode Si 113 Hình 4.4 Linh kiện thu quang hoạt động vùng tuyến tính dải động 115 Hình 4.5 Sơ đồ khối thu quang số 117 Hình 4.6 Đáp ứng photodiode với xung ánh sáng biểu diễn thời gian lên 10% đến 90% 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 lượng điện trường lớp bán dẫn PIN 121 Hình 4.10 Cấu tạo bên PIN 121 Hình 4.11 Phổ đáp ứng Si InGaAs 122 Hình 4.12 Đặc tuyến V-I photodiode Si với R = 0,5 A/W 122 Hình 4.13 Cấu trúc bán dẫn APD 123 Hình 4.14 Sự phân bố lượng điện trường lớp bán dẫn 123 Hình 4.15 Hệ số nhân M thay đổi theo nhiệt độ 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 tiền khuếch đại trở kháng cao 129 Hình 4.19 Khuếch đại hồi tiếp 130 Hình 4.20 Sơ đồ tương đương tiền khuếch đại hồi tiếp 130 Hình 4.21 (a) tín hiệu tái tạo thu; (b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian bit 134 Hình 4.22 (a) Phổ dạng cosine (b) Ngõ hệ thống có phổ ngõ dạng cosine xung ngõ vào 136 Hình 4.23 Biểu đồ mắt tín hiệu dạng NRZ 136 Hình 5.1 Phân loại mạng FTTX theo chiều dài cáp quang 142 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 167 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 sợi quang 151 Hình 5.6 OXC chuyển mạch 152 Hình 5.7 Bộ ghép bước sóng thơng thường AWG 153 Hình 5.8 Sơ đồ mạng AON 156 Hình 5.9 Mạng PON 158 KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA 168 ... sợi quang + Trình bày thành phần mạng thông tin quang thực tế + Trình bày cấu tạo - nguyên lý hoạt động thu phát quang, thiết bị quang hệ thống thông tin quang + Trình bày kỹ thuật ghép kênh thông. .. tự học KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA Chương 1: Tổng quan kỹ thuật thông tin quang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thơng,... HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: THƠNG TIN QUANG NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP THÔNG TIN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Họ tên: