1.1 Lịch sử phát triển:
Trải qua một thời gian dài từ khi con người biết sử dụng ánh sáng của lửa để làm phương tiện thơng tin, đến nay lịch sử của thơng tin quang đã cĩ những bước phát triển và hồn thiện được ghi nhận bằng những mốc chính sau đây.
Năm 1790: Claude Chppe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (Optical Telegraoh). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp đèn báo hiệu di động trên đĩ. Tốc độ thơng tin được truyền đi cỡ khoảng 15 phút ở cự ly 200Km.
Năm 1870: John Tyndall nhà vật lý người Anh, chứng minh ánh sáng cĩ thể truyền được theo ống nước uốn cong, nhờ vào sự ứng dụng hiện tượng phản xạ tồn phần.
Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua mơi trường khơng khí. Nhưng do mơi trường khơng khí cĩ nhiều nguồn gây nhiễu nên khơng sử dụng được.
Năm 1934: Noman R Funch, kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thủy tinh làm mơi trường truyền dẫn ánh sáng trong thơng tin quang.
Năm 1958: Arthur Scharles H. Townes, xây dựng và phát triển Lasde.
Năm 1960: Theodor H. Maiman đưa Lasde vào hoạt động và đã thành cơng. Năm 1962: Lasde bán dẫn và photodiode được hồn thiện.
Năm 1966: Char H. Kao và George A. Hockhan người Anh dùng sợi thủy tinh để dẫn ánh sáng. Nhưng sợi thủy tinh lúc này cĩ suy hao rất lớn (khoảngα≈1000dB/km)
Năm1970: Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành cơng sợi quang cĩ chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/Km ở bước sĩng 633 nm.
Năm 1972: Loại sợi quang GI cĩ chiết suất lõi giảm dần với suy hao 4dB/Km. Năm1983: Loại sợi quang đơn Mode (SM) được xuất xưởng ở Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn Mode được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ cịn khoảng 0,2dB/Km ở bước sĩng 1550 nm
1.2 Cấu trúc hệ thống thơng tin quang:
Cấu hình cơ bản của các hệ thống thơng tin quang được mơ tả như hình vẽ dưới đây. Các tín hiệu được gửi từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, truyền số liệu,và máy Fax được biến đổi thành tín hiệu quang thơng qua bộ biến đổi điện – quang( các mức tín hiệu điện được biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng, mức “1” và “0” của tín hiệu thành bật / tắt của ánh sáng) và dẫn tín hiệu vào sợi quang. Các tín hiệu truyền lan trong sợi quang, và qua các trạm lặp đường dây tới bộ biến đổi quang – điện của phía thu sau khi đã suy hao cơng suất và trải rộng dạng sĩng khi qua đường truyền dẫn này. Tại bộ biến đổi tín hiệu quang thu được biến
đổi thành tín hiệu điện, khơi phục lại nguyên dạng tín hiệu của máy điện thoại hoặc Fax đã gởi đi. Tín hiệu đã khơi phục được truyền tới các thiết bị đầu cuối.
Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thơng tin quang
Bộ biến đổi điện – quang chính là các linh kiện phát sáng như diode laser hoặc diode phát quang, và bộ biến đổi quang – điện cũng là các linh kiện thu ánh sáng Photodiode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì cần phải lắp đặt các trạm lặp đường dây tại các điểm trung gian tuyến truyền dẫn. Chức năng các bộ lặp này biến đổi các tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện và khuyếch đại chúng, sau đĩ lại biến đổi thành các tín hiệu quang và gửi vào sợi quang.
1.2.1Bộ lặp đầu cuối ( phía phát ):
Tại bộ lặp đầu cuối, các tín hiệu lưỡng cực đầu vào (gồm các xung âm và xung dương) được biến đổi bằng bộ biến đổi lưỡng cực / đơn cực để thành các tín hiệu đơn cực (các tín hiệu số “1” luơn tương ứng với một xung đơn cực). Tại bộ xử lý mã gửi đi, một số mã quy ước đặc biệt được cộng thêm vào các tín hiệu đơn cực để mang các thơng tin giám sát giúp cho việc kiểm tra sự hoạt động giữa các bộ lặp, sau đĩ tín hiệu một lần nữa được biến đổi thành mã đường truyền xác định phù hợp với mơi trường truyền dẫn.
Tín hiệu sau khi đi qua bộ biến đổi điện – quang ở đĩ nĩ rẽ xuống mạch điều khiển dịng LD được biến đổi thành tín hiệu quang. Lúc đĩ, quá trình điều khiển phản hồi được thực hiện để giữ cơng xuất quang ra luơn luơn ổn định.
1.2.2 Bộ lặp đường dây:
Bộ lặp đường dây các tín hiệu tới bộ lặp đường dây sau khi đã lan truyền qua sợi quang. Tại đây, quá trình biến đổi quang điện sẽ được thực hiện đầu tiên,vì các tín hiệu quang trong qúa trình truyền dẫn ánh sáng bị suy hao và méo dạng. Chính vì điều này nên trước hết các tín hiệu điện phải được khuyếch đại, cân bằng cơng suất và sửa méo dạng. Ngồi ra cịn lấy các thơng tin về mặt thời gian và khoảng thời gian của tín hiệu xung gốc ( “1” hoặc “ 0 ” ) từ các tín hiệu đã được sửa và khuyếch đại (được gọi là trích thời). Tại mạch xác định và tái tạo, các xung cĩ/ khơng được xác định tại các vị trí của các tín hiệu định thời theo trục thời gian. Như vậy các tín hiệu xung gốc được phục hồi (được gọi là quyết định và tái tạo) ở dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu này tới bộ biến đổi tín hiệu điện quang, và tại đây các xung
E/O
ÙTín hiệu điện Sợi quang
E/O O/E O/E
Tín hiệu
điện Tín hiệu quang
Tín hiệu
quang Sợi quang Bộ lặp đường dây
tín hiệu điện “1 “ và “ 0 ” được biến đổi thành tín hiệu quang và được đưa vào sợi quang giống như bộ lặp đầu cuối phía phát.
1.2.3 Bộ lặp đầu cuối ( phía thu ):
Các tín hiệu đã được khơi phục cĩ dạng xung gốc tại bộ lặp đường dây sẽ truyền qua sợi quang và tới bộ lặp đầu cuối phía thu. Tại đây các tín hiệu đi qua bộ biến đổi quang – điện được cân bằng, khuếch đại, xác định và tái tạo như bộ lặp đường dây. Trong quá trình xử lý, tín hiệu đã được khơi phục thành tín hiệu đơn cực. Các tín hiệu điện được truyền dẫn đến các thiết bị đầu cuối.
1.3 Những ưu, nhược điểm của hệ thống cáp sợi quang :1.3.1 Những ưu điểm : 1.3.1 Những ưu điểm :
+ Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ: Cáp sợi quang nhỏ về kích thước, nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng.
+ Đặc tính cách điện: Cáp quang là sợi thủy tinh nên khơng dẫn điện, do vậy cáp sợi quang khơng chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngồi như: Cáp điện cao thế, sĩng vơ tuyến, sĩng truyền hình.v..v.
+ Độ rộng của băng tần truyền dẫn: Cáp sợi quang cĩ thể truyền tải tín hiệu cĩ tần số cao hơn so với cáp đồng. Với cơng nghệ kỹ thuật hiện nay cáp sợi quang là mơi trường truyền dẫn cĩ tốc độ cao để đấu nối các thiết bị ghép kênh như: FLX, SDH, v..v.
+ Tính bảo mật, độ tin cậy cao: Sợi quang cĩ tính bảo mật, độ tin cậy cao hơn cáp đồng.
+ Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp dể dàng mở rộng khi cần thiết.
+ Suy hao thấp: Suy hao cáp quang thấp hơn so với cáp kim loại, cáp đồng trục. Cho phép thực hiện truyền dẫn ở cử ly dài trên 70 Km trước khi tái tạo lại tín hiệu.
+ Vật liệu chế tạo sợi quang cĩ nhiều trong thiên nhiên. Các linh kiện thu và phát quang:
+ Cĩ khả năng điều chế tốc độ cao, băng rộng. + Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao
+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện cĩ khả năng phát xạ cơng suất lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn.
1.3.2 Những nhược điểm :
+ Vấn đề biến đổi tín hiệu: Để biến đổi điện- quang ; quang - điện rất phức tạp và tốn kém. Nếu truyền dẫn ở cự ly dài phải cĩ các bộ lặp đường dây.
+ Tín hiệu truyền bị giản rộng: Điều này hạn chế cự ly của hệ thống.
+ Thiết bị đầu cuối và sợi quang cĩ gía thành cao hơn hệ thống cáp kim loại. + Phải cĩ các thiết bị quang thích hợp để kiểm tra đo thử các sợi quang.
1.4 Xu hướng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang:
Các nhà nghiên cứu về truyền dẫn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và tăng cự ly giữa khoảng lặp. Các hướng phát triển của kỹ thuật thơng tin cáp sợi quang hiện nay là:
1.4.1 Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sĩng (WDM):
Trong hệ thống ghép kênh theo bước sĩng, người ta sử dụng nhiều nguồn quang (thường là diode laser hồi tiếp phân bố DBF cĩ bề rộng phổ rất hẹp) hoạt động ở các bước sĩng khác nhau. Khoảng cách giữa các kênh được chọn phụ thuộc vào độ ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của bộ ghép, tách kênh.
Trong khoảng từ bước sĩng 1545,6 nm người ta cĩ thể ghép được 18 kênh nếu mỗi kênh truyền 2,5 Gbit/s tương đương 30.240 kênh thoại, hệ thống sẽ cĩ khả năng truyền 500.000 kênh thoại trên một đơi sợi quang.
1.4.2 Các hệ thống truyền dẫn Coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số(FDM): (FDM):
Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn cịn lớn hơn rất nhiều so với kỹ thuật ghép kênh theo bước sĩng. Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 56Hz tương đương 0,04nm ở bước sĩng 1550 nm. Trong khi khoảng cách giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo bước sĩng khoảng 250GHz tức là 2nm. Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2,5 Gbit/s ta cĩ thể truyền một lượng tương đương 30.240 x 2.500 = 75,6 triệu kênh thoại trên một đơi quang.
1.5 Những ứng dụng của hệ thống thơng tin quang:
Sợi quang được ứng dụng trong thơng tin và một số mục địch khác. Vị trí của sợi quang trong mạng viễn thơng gồm: Mạng đường trục quốc gia, đường dây trung kế đường cáp thả biển xuyên quốc gia, đường truyền số liệu, mạng truyền hình.v..v.