1. 4 Ưu nhược điểm của sợi quang nhựa POF
4.1.Giải pháp nâng cao hiệu năng trong sợi quang học POF
4.1.1. LED Khoang cộng hưởng (Resonant Cavity LED)
Một trong những yếu tố để tạo ra các tính năng vượt trội của loại sợi quang nhựa POF chính là việc sử dụng các điốt phát sáng (LEDs) và nguồn phát thay thế cho việc sử dụng laser phức tạp và tốn kém hơn. Thông thường, LEDs được sử dụng với một số lý do như: nó có ổn định nhiệt tốt, có thể điều khiển với mạch CMOS đơn giản tương thích với dòng truyền dẫn, sử dụng an toàn đối với mắt người và đặc biệt khi hoạt động ở cường độ dòng điện thấp nếu so sánh với laser, LEDs, hoạt động ổn định hơn và có tuổi thọ cao hơn nhiều so với laser.
Một loạt các thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả cho LED được ra đời, trong đó phải kể đến điôt phát sáng khoang cộng hưởng RC-LED, lần đầu tiên ra đời vào năm 1992. Cho đến nay, nó đã được sản xuất thành công tại một số công ty như Firecomms, ứng dụng thành công cho các loại sợi quang nhựa POF tốc độ cao. Một trong những yêu cầu đặt ra là xác định xem LED hay RC-LED có thể đáp ứng được các yêu cầu hệ thống thông tin liên lạc trong tương lại như nhu cầu thị trường cho liên kết POF tốc độ Gbit/s. Một hoạt động quan trọng trong dự án POF-PLUS đã được nghiên cứu và phát triển, các nhà khoa học đã nhận thấy RC-LED được sử dụng rất phù hợp cho việc truyền thông dữ liệu qua sợi quang POF đường kính lõi 1mm với bởi ưu điểm như:
● Cường độ ánh sáng cao. ● Độ thuần khiết phổ cao.
● Độ phân tán màu thấp => tỉ lệ bit tăng (622Mbit/s SONET). ● Chí phí thấp, an toàn và độ nhạy nhiệt thấp hơn so với Laser. ● Giá thành sản xuất giảm so với VCSEL.
Mặc dù laser phát xạ cạnh và laser phát xạ mặt với bộ cộng hưởng thẳng đứng VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) có hiệu suất về băng thông cao nhưng lại gặp hạn chế trong điều kiện về độ tin cậy (laser phát xạ cạnh) và công suất
ngoài (VCSELs). Chính vì vậy những nghiên cứu trong dự án POF-PLUS đã cho thấy RC-LED thực sự là một kết quả có tính kỹ thuật và thương mại hoàn toàn khả thi.
Hình 4.1: Bề mặt nguồn bức xạ trong RC-LED luôn hướng về phía trước
Những thiết kế quang cho LEDs khoang cộng hưởng đã được xác định cho hiệu năng thu được tốt nhất trong sợi quang chất dẻo thông thường với khẩu độ số 0.5. Hiệu suất tốt nhất thu được là 3.9 % có thể đạt được khi sử dụng LED khoang cộng hưởng (RCLED), được tính toán dựa trên sự phát triển gần đây và phân tích những nghiên cứu. Thiết bị tối ưu là một lớp kim loại cấu trúc phản xạ Bragg phân bố. Hiệu ứng giao thoa từ đỉnh gương kim loại có được đóng vai trò chi phối trong việc tăng hiệu suất.
Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc của laser khoang cộng hưởng RC-LED GaInP/AlGaInP/GaAs phát xạ ở bước sóng 650nm
LED khoang cộng hưởng có khả năng tạo ra phổ rộng đồng nhất và sự định hướng của phát xạ được tăng cường có thể so sánh với LEDs thông thường. RCLED được đưa ra xem xét hứa hẹn là nguồn cho sợi POF làm cơ sở cho mạng, nơi bán kính lõi lớn của POF và những yêu cầu liên quan đến băng thông thấp (< 1 GHz) có khả năng cạnh tranh với công nghệ RCLED hiện tại. RCLED AlGaInP phù hợp với của sổ truyền dẫn 650 nm, sẵn sàng cho các sản phẩm trên quy mô lớn.
Những cửa sổ truyền dẫn cao hơn nữa, ở 510nm và 570nm, có thể đạt được sử dụng chất bán dẫn nitrat hóa III – V những vật liệu mà với tính phụ thuộc nhiệt độ thấp hơn AlGaInP, phù hợp hơn cho các môi trường ô tô hay hàng không. RCLED GaN xanh dương, tím và xanh lục được chứng minh cho hiệu ứng khoang rõ ràng trong phổ phát xạ và sự định hướng của phát xạ mặc dù không cố gắng tạo ra để tối ưu thiết kế khoang cho hiệu suất tách ánh sáng cao nhất.
Hình 4.3: Quang phổ của LED thông thường và RC-LED ghép vào sợi quang POF
4.1.2. Laser điốt màu xanh dương
Trong dự án POF-PLUS đã chứng minh được việc lựa chọn truyền dữ liệu tốc độ Gigabit trên các sơi quang nhựa PMMA có lõi chiết suất phân bậc (SI) và chỉ số lõi biến đổi (GI). Hầu hết các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng tia laser đỏ và laser phát xạ mặt VCSEL. Tuy vậy, người ta nhận ra rằng tốc độ truyền tải còn tăng >>1Gbit/s với một điode laser màu xanh dương sẵn có.
Sợi quang nhựa POF có những thuận lợi lớn trong việc kết nối khá dễ dàng. Sự truyền tải với tốc độ 1Gbit/s với chiều dài 50m có thể đạt được với máy phát sử dụng đèn LED. Với laser điốt LD có thể đưa ra tốc độ bit lớn hơn hẳn (10Gbit/s với chiều dài 35m và 5Gbit/s với chiều dài 50m). Người ra thử nghiệm với một LD có ngưỡng bảo vệ là 30mA với bước sóng 405nm. Tại 40mA, công suất dòng điện 4.5mW. Laser được ghép vào sợi quang nhựa SI-POF đường kính lõi 1mm (Misubishi GH401). Kết quả nhận thấy, khẩu độ số NA =0.25 đáp ứng tần số của hệ thống bao gồm 50m và 100m SI-POF.
Hình 4.4: Giá trị SNR khi dùng laser xanh dương trong POF
Chúng ta đã chỉ ra được cách sử dụng của LD xanh dương cho truyền dẫn tốc độ hàng Gigabit trên sợi SI-POF. Tốc độ bit có thể có được là 5.84 Gbit/s là tương tự với kết quả tốt nhất, thu được với LD đỏ và VCSEL. Hiện giờ LD xanh dương có thể sử dụng là rất tốn kém cho hệ thống POF. Tuy nhiên, một tương lai đầy tiềm năng LD xanh lục là một lựa chọn cho truyền dẫn POF tốc độ cao hơn. Độ khả dụng của laser xanh lục, xanh dương và đỏ có thể cũng mở ra con đường cho hệ thống POF – WDM cao.
4.2. Một số công nghệ nổi bật của sợi quang POF
4.2.1. Truyền dữ liệu đồng thời thông qua băng truyền sợi quang đa lõi POF
Với yêu cầu về băng thông cao và ít ảnh hưởng bởi sự uốn cong là khó có thể thực hiện đồng thời trong một sợi quang có đường kính 1mm. Các sợi quang có đường kính lõi nhỏ hơn có thể giải quyết được bài toán này bởi tỉ số bán kính sợi quang lớn hơn cho cùng tỉ số bán kính uốn cong tuyệt đối. Song, điều này lại mâu thuẫn với các yêu cầu về việc dễ dàng thao tác và truyền ánh sáng.
Trong năm 2009, nhà sản xuất sợi quang Nhật Bản Asahi Chemical đã giới thiệu một thế hệ mới của loại sợi quang nhựa đa lõi chiết suất bậc MC-POF. Sợi quang này được phát triển chủ yếu cho chiều dài sợi quang cực ngắn với yêu cầu cao về độ nhạy uốn cong. Với loại sợi này, nhiều lõi sợi (19 đến >200) cùng được đưa vào khi chế tạo theo cách cho phép tất cả lõi sẽ lấp đầy một mặt cắt tròn có đường kính 1mm Trong dự án POF-PLUS, người ta đã thử nghiệm với loại sợi quang này và đã đạt được những ứng dụng đáng kể trong việc truyền tải tốc độ khá cao mà vẫn đảm bảo bán kính uốn cong thấp. Chính vì lý do này mà người ta đã chọn sợi quang MC-POF làm cơ sở cho một cáp băng mới.
Hình 4.5: Cấu tạo của cáp băng MC-POF mới
Hình 4.5 mô tả cấu tạo của cáp băng MC-POF, phiên bản này được sản xuất bởi công ty Lucent, USA. Trong 4 sợi bao gồm 19 lõi có đường kính là 500nm. Các sợi được bảo vệ một cách riêng lẻ và được kết nối với một lớp Acrylat chung. Kích cỡ của cáp thông thường từ 550µm đến 2200µm và khoảng cách tâm 2 lõi sợi khoảng
550µm. Dung sai của tất cả các tham số nhỏ hơn 10µm.
Hình 4.6 biểu diễn đường cong chiết suất của sợi MC POF, với mặt cắt ngang qua đường kính sợi. Các bậc chiết suất tương tự với đặc điểm của sợi POF tiêu chuẩn. Trong sợi MC POF, việc giảm sự chênh lệch chiết suất cũng giúp làm tăng băng thông. Do đường kính lõi nhỏ hơn, nên cho phép tránh được sự tăng mức độ ảnh hưởng của sợi do hiện tượng uốn cong gây ra.
Hình 4.6: Cấu trúc sợi đa lõi chiết suất bậc sợi MC-POF
Tại bước sóng 650nm, suy hao của sợi quang MC-POF có giá trị 0.22dB/m (trong điều kiện EMD). Điều này cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách hơn 50m. Ngoài ra, khi MC-POF được so sánh với sợi SI-POF đơn lõi trong tất cả các thông số quang học, sự khác biệt lớn nhất chính là độ nhạy uốn cong. Theo đó, khi thử nghiệm với độ uốn cong 3600 ở khẩu độ số NA khác nhau, thì giá trị suy hao cũng khác nhau. Suy hao 0.1dB có được với đường kính uốn cong khoảng 1.5nm, giá trị này là ít hơn nhiều so với giá trị của sợi thủy tinh uốn cong.
Hình 4.7: Đường cong suy hao của cáp băng MC-POF
Việc sử dụng cáp băng MC-POF cho phép nâng cao hiệu quả việc truyền dẫn đồng thời tốc độ dữ liệu, mở ra một bước phát triển mới cho việc truyền dẫn cả 2 chiều trong sợi trong tương lai, từ đó góp phần không nhỏ vào những ứng dụng của ngành sợi quang trong công nghệ truyền dẫn.
4.2.2. Truyền dẫn đa Gigabit qua sợi quang nhựa chiết xuất biến đổi GI-POF đường kính lõi 1mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một trong những mục tiêu chính của dự án POF-PLUS châu Âu là tối ưu hóa các phần tử có sẵn và sử dụng các kỹ thuật để đạt tới tốc độ đa Gigabit truyền trên sợi quang nhựa POF đường kính lõi 1mm. Người ta nhận thấy, tỉ lệ truyền dẫn sẽ đạt được khoảng 5.3Gbit/s và 7.6Gbit/s cho độ dài sợi quang từ 10m đến 50m bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế đa tần rời rạc (DMT) trong hệ thống phát hiện trực tiếp cường độ điều chế bằng cách sử dụng điều chế trực tiếp “ eye-safe” VCSEL và photodiode silicon. Băng thông được sử dụng là 1.42 GHz tương ứng với hiệu suất quang phổ >3.7bit/s/Hz. Để đạt được mục tiêu truyền dẫn đa Gigabit qua sợi quang nhựa POF, việc lựa chọn các loại sợi quang POF mang tính thương mại và kỹ thuật cũng là vấn đề hết sức quan trọng. Thông thường với sợi quang chiết xuất bậc SI-POF đã được sử dụng cho truyền dẫn Gigabit, tuy vậy thì khẩu độ số NA là 0.5 trên một băng thông thấp 80MHz cho khoảng cách tại 50m không cho đáp ứng tốt. Vì vậy, đối với truyền dẫn đa Gigabit (ở khoảng cách thích hợp cho việc triển khai trong nhà), thì việc sử dụng sợi quang nhựa chiết xuất biến đổi GI-POF là hoàn toàn thích hợp.
Hiện nay, với một loạt các phương pháp truyền dẫn dữ liệu bằng các phương tiện khác nhau như cáo đồng trục cho phát sóng truyền hình, cáp xoắn đôi cho dây điện thoại, hay mạng LAN cho Internet. Việc nhiều cơ sở hạ tầng mạng như vậy đã dẫn đến một cơ sở hạ tầng phức tạp và chi phí dịch vụ cao. Đưa ra một cơ sở hạ tầng chung là cần thiết để cung cấp và cải thiện các dịch vụ mạng hiện nay, đặc biệt là các giải pháp chi phí hiệu quả trong các mạng gia đình. Sợi quang nhựa POF chính là khả
năng cho giải pháp chi phí hiệu quả, đặc biệt khi chia sẻ với các đường dây dẫn điện sẵn có. Nghiên cứu hệ thống lõi sợi quang POF, người ta đã truyền tải thành công một tín hiệu băng gốc DTM với tốc độ 2.2Gbit/s và một tín hiệu tần số vô tuyến ở 200Mbit/s ở khoảng cách 50m bằng sợi quang nhựa PMMA chiết xuất lõi biến đổi GI- POF đường kính lõi 1mm, tỉ số lỗi bit tại BER<10−3. Điều này đã chứng minh cho việc truyền dẫn hiệu quả cả hai tín hiệu có dây và không dây qua loại sợi quang PMMA GI- POF bán kính lõi 1mm, đồng thời làm cơ sở cho việc xây dựng cấu trúc hạ tầng mạng cho các dịch vụ trong nhà, giảm thiểu chi phí, phù hợp cho những ứng dụng mạng thiết kế ở gia đình.
4.3. Ứng dụng của sợi quang POF
Sợi quang chất dẻo (POF) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với tốc độ kết nối phổ biến trong khoảng 10 – 100 Mbps. Sự tiếp tục phát triển của tốc độ các cặp thiết bị vào ra trong mạng với nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ và độ tin cậy cao đã tạo ra thị trường và đòi hỏi sự lựa chọn liên kết tốc độ cao hơn sử dụng POF. Nhiều tổ chức và tập đoàn lớn đã tập trung nghiên cứu và phát triển những phương pháp phù hợp để sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn tốc độ Gigabit và Multi-gigabit cho sợi POF với mục đích trên. Dưới đây là một vài ứng dụng của sợi POF.
4.3.1. Ứng dụng truyền dẫn trong nhà, văn phòng, các doanh nghiệp
Sự cần thiết cho việc cải thiện băng thông cao hơn luôn luôn là xu hướng ngày càng gia tăng, đặc biệt khi Interet trở thành phương tiện truyền thông của hầu hết mọi người. Có hai yếu tố chính được xuất phát, thứ nhất là từ các doanh nghiệp với nhu cầu cần thiết cho các trung tâm dữ liệu và thiết bị lưu trữ, thứ hai là lượng truy cập và nhu cầu từ người dùng ngày càng lớn. Chính vì vậy, yêu cầu cho lượng dữ liệu được thông qua và nâng cao băng tẩn luôn là một yêu cầu và nhiệm vụ được đặt ra cho các nhà khai thác.
Trong nhà, nhu cầu được thúc đẩy bởi các yêu cầu về đa phương tiện. Truy cập mạng được nâng cấp dựa trên công nghệ DSL dây đồng xoắn và cáp đồng trục với băng thông cao công nghệ PON (Passive Optical Network) cho khả năng cung cấp tốc độ 1Gbit/s và XPON 10Gbit/s. PON bắt đầu được sử dụng từ những nơi chưa có cơ sở hạ tầng như Nam Mỹ, Đông Âu, Trng Quốc. Trong lịch sử, các hệ thống cáp của Mỹ chủ yếu dựa trên cáp đồng trục. Châu Âu là nơi chi phối bởi các dây cáp quang và cáp xoắn. Công nghệ truy cập PON cho phép mang một băng thông lớn hơn tới các hộ gia đình, mặc dù nó sẽ được chia sẻ bởi nhiều người dùng cùng một lúc. Cáp quang được sử dụng trong PON là loại cáp đơn mode và sau đó được đưa vào sử dụng cả trong Ethernet dùng trong nhà. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất mà liên kết quang có đó chính là những hạn chế về vấn đề sử dụng dễ dàng và chi phí hợp lý. Chính vì vậy mà POF dựa trên hệ thống này sẽ hoàn toàn được ưu tiên cho việc sử dụng và chi phí.
Thị trường cung cấp mạng cho gia đình đang bùng nổ trên nền video IP cung cấp trực tuyến. Chỉ cần nhấn nút enter trên cửa hàng mua sắm điện tử ngày nay là bạn có thể xem được hầu hết các TV và các sản phẩm liên quan (TV, Game, Set Top Box, Blue Ray, Media Server etc.) có kết nối Ethernet và theo tiêu chuẩn. Trong năm 2010,
trên 210 triệu thiết bị chuyển thông tin theo kết nối Ethernet và tốc độ tăng trưởng là trên 600% trong vòng 4 năm.
Hình 4.8: Hệ thống truyền dẫn bằng Bus POF cho mạng lưới trong nhà
POF đầu tiên tham gia vào mạng trong nhà khi công ty điều hành viễn thông như Deutsche Telekom và Swisscom triển khai POF như một lựa chọn kết nối Ethernet giữa Home Gateway và Set Top Box trong khi triển khai dịch vụ IPTV. Một vài nhà điều hành viễn thông khác thì tham gia trong thử nghiệm và triển khai POF như hội viên của POF-PLUS, Prance Telecom và Telecom Italia và AT&T nằm trong số đó.
Hình 4.9 : Một số cấu trúc mạng trong nhà
Hiện tại có một vài lựa chọn cho kết nối trong nhà tuy nhiên khi đòi hỏi đảm bảo chất lượng dịch vụ và sự xác thực video truyền tải (ví dụ như trong trường hợp FTTH), các nhà điều hành và cài đặt thường hướng đến sử dụng kết nối có dây. Một số cấu trúc mạng trong nhà sử dụng sợi quang nhựa POF được đưa ra nhằm tối ưu cho