Bài giảng Cơ sở kĩ thuật thông tin sợi quang

Chu C«ng CÈn Bμi gi¶ng Hµ Néi – 2007 Lêi nãi ®Çu Ngµy nay trong xu h−íng héi nhËp toµn cÇu, nhu cÇu trao ®æi th«ng tin ngµy cµng ph¸t triÓn. C¸c dÞch vô th«ng tin ngµy cµng t¨ng c¶ vÒ sè l−îng vµ chÊt l−îng, chóng hÕt søc ®a d¹ng vÒ tèc ®é còng nh− dung l−îng, tõ c¸c dÞch vô th«ng tin b¨ng tÇn hÑp nh− Telex, Fax, tho¹i ®Õn c¸c dÞch vô th«ng tin b¨ng tÇn réng nh− tho¹i h×nh, truyÒn h×nhVíi nhu cÇu nµy, c¸c hÖ thèng th«ng tin cÇn ph¶i cã tèc ®é vµ dung l−îng cao ®Ó s½n sµng ®¸p øng mäi nhu cÇu dÞch vô mµ vÉn b¶o ®¶m chÊt l−îng theo yªu cÇu. §©y lµ vÊn ®Ò hÕt søc khã kh¨n ®èi víi c¸c hÖ thèng th«ng tin sö dông c¸p kim lo¹i vµ c¸c hÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn. HÖ thèng th«ng tin quang ra ®êi ®· gi¶i quyÕt ®−îc c¸c vÊn ®Ò trªn vµ nã ®· thÓ hiÖn ®−îc tÝnh −u viÖt h¬n h¼n so víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn kh¸c. HÖ thèng th«ng tin quang ®−îc x©y dùng vµ ph¸t triÓn trªn c¬ së cña c¸c c«ng nghÖ hiÖn ®¹i vµ tiªn tiÕn ®ã lµ: C«ng nghÖ quang l−îng tö, c«ng nghÖ truyÒn dÉn ¸nh s¸ng vµ c«ng nghÖ ®iÖn tö ‐ tin häc. C¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang ®· thÓ hiÖn ®−îc nh÷ng −u ®iÓm v−ît tréi trªn c¸c mÆt: Cã dung l−îng vµ tèc ®é truyÒn dÉn cao, suy hao hÖ thèng nhá, cù ly th«ng tin xa, chÊt l−îng th«ng tin cao, tÝnh b¶o mËt th«ng tin tèt, kÝch th−íc hÖ thèng nhá, cÊu h×nh hÖ thèng linh ho¹t HiÖn t¹i còng nh− trong t−¬ng lai, hÖ thèng th«ng tin quang sÏ dÇn dÇn thay thÕ c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn c¸p kim lo¹i. Do vËy, viÖc nghiªn cøu vµ n¾m b¾t hÖ thèng th«ng tin quang lµ vÊn ®Ò rÊt quan träng vµ hÕt søc cÇn thiÕt. C¸c phÇn tö c¬ b¶n cÊu thµnh hÖ thèng th«ng tin quang bao gåm c¸c nguån quang, sîi quang, bé t¸ch sãng quang vµ c¸c phÇn tö ®Êu nèi. ViÖc nghiªn cøu c¸c phÇn tö ph¶i ®−îc ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ mét c¸ch ®Çy ®ñ tõ cÊu tróc, c¸c th«ng sè ®Æc tÝnh ®Õn kh¶ n¨ng øng dông cña chóng trªn hÖ thèng th«ng tin quang. C¸c vÊn ®Ò nªu trªn chÝnh lµ c¬ së kü thuËt ®Ó ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ vµ thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®¸p øng ®Çy dñ c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt vµ chØ tiªu kinh tÕ. MÆc dï ®· hÕt søc cè g¾ng nh−ng cuèn s¸ch kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt trong qu¸ tr×nh biªn so¹n, t¸c gi¶ rÊt mong nhËn ®−îc sù ®ãng gãp ý kiÕn phª b×nh cña c¸c ®ång nghiÖp vµ b¹n ®äc ®Ó cã thÓ hoµn thiÖn h¬n. Mäi ý kiÕn ®ãng gãp xin göi vÒ hép th−: chucongcan@fpt.vn hoÆc Bé m«n Kü thuËt th«ng tin – P.706‐A7‐ §¹i häc Giao Th«ng VËn T¶i, Hµ Néi. Hµ Néi, ngµy 02 th¸ng 07 n¨m 2007 T¸c gi¶ C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 5 Ch−¬ng 1 Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin quang 1.1 Kh¸i qu¸t chung Tõ xa x−a, mét trong nh÷ng ®iÒu quan t©m chñ yÕu trong cuéc sèng cña loµi ng−êi lµ t×m ra c¸c hÖ thèng th«ng tin ®Ó göi ®i c¸c b¶n tin tõ n¬i nµy ®Õn n¬i kh¸c. BÊt kú mét hÖ thèng th«ng tin nµo còng gåm c¸c phÇn tö c¬ b¶n nh− trªn h×nh vÏ 1‐1 H×nh 1‐1: C¸c phÇn tö c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin C¸c phÇn tö nµy còng bao gåm c¶ n¬i ®Çu tiªn cña nguån tin lµ n¬i ®−a mét b¶n tin tíi m¸y ph¸t. M¸y ph¸t tËp hîp c¸c b¶n tin trong kªnh truyÒn dÉn ë cïng mét d¹ng tÝn hiÖu vµ s¾p xÕp theo ®Æc tÝnh cña kªnh. Kªnh truyÒn dÉn lµ cÇu nèi kho¶ng c¸ch trung gian gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu, nã cã thÓ lµ c¸c ®−êng truyÒn dÉn nh− c¸p kim lo¹i, èng dÉn sãng, hoÆc truyÒn dÉn trong kh«ng khÝ. Khi tÝn hiÖu lan truyÒn trong kªnh truyÒn dÉn nã cã thÓ bÞ ¶nh h−ëng tíi hai mÆt ®ã lµ bÞ suy gi¶m vµ bÞ biÕn d¹ng tÝn hiÖu theo sù t¨ng cña kho¶ng c¸ch truyÒn lan. Chøc n¨ng cña m¸y thu lµ thu nhËn tÝn hiÖu ®· bÞ suy yÕu vµ mÐo d¹ng tõ kªnh truyÒn dÉn, khuÕch ®¹i chóng vµ håi phôc chóng trë l¹i nguyªn d¹ng gièng nh− tr−íc khi chóng ®−îc chuyÓn ®Õn n¬i nhËn tin. 1.1.1 C¸c h×nh thøc cña c¸c hÖ thèng th«ng tin Trong lÞch sö th«ng tin cã rÊt nhiÒu c¸c hÖ thèng th«ng tin xuÊt hiÖn. Sù thóc ®Èy chñ yÕu sau mçi mét d¹ng míi lµ c¶i tiÕn c¸ch thøc truyÒn C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn 6 Optical Fiber Communication dÉn cò nh»m t¨ng sè l−îng ®−êng kªnh, tèc ®é sè liÖu ®Ó cã thÓ göi ®i ®−îc nhiÒu b¶n tin h¬n n÷a hoÆc lµ t¨ng cù ly gi÷a c¸c tr¹m chuyÓn tiÕp. Tr−íc thÕ kû 19 tÊt c¶ c¸c hÖ thèng th«ng tin ®Òu cã tèc ®é chËm vµ chñ yÕu lµ ©m thanh vµ quang häc nh− dïng tï vµ, trèng, kÌn vµ ®Ìn tÝn hiÖu. Mét trong nh÷ng ®−êng truyÒn dÉn quang sím nhÊt ®−îc ng−êi ta biÕt tíi ®ã lµ löa cña ng−êi Hy l¹p sö dông vµo thÕ kû thø 8 tr−íc c«ng nguyªn ®Ó göi ®i c¸c tÝn hiÖu b¸o ®éng gäi nhau khi cÇn cÊp cøu hoÆc th«ng b¸o vÒ c¸c sù kiÖn x¶y ra, ë ®©y duy nhÊt chØ cã mét kiÓu tÝn hiÖu. Trong thÕ kû thø 4 tr−íc c«ng nguyªn, th«ng tin ®−îc truyÒn qua c¸c 10 m 1 m 10 14 Hz Tö ngo¹i Nh×n thÊy Hång ngo¹i Tho¹i D÷ liÖu Video Tia Laser Sîi quang 800 nm 2.55mm C¸c øng dông. M«i tr−êng truyÒn dÉn. 10 15 Hz 10 ‐6 m Sãng Milimeter 1 cm Siªu cao tÇn (SHF) 10 cm TÇn sè cùc cao (UHF) TÇn sè rÊt cao (VHF) TÇn sè cao (HF) Trung tÇn (MF) TÇn sè thÊp (LF) TÇn sè rÊt thÊp (VLF) ¢m tÇn 100 m 1 km 10 km 100 k m Hµng h¶i VÖ tinh ‐ VÖ tinh ChuyÓn tiÕp viba Tr¹m mÆt ®Êt ‐ V.tinh Radar UHF TV Mobile Radio Hµng kh«ng, Mobile VHF TV & FM Th−¬ng m¹i Radio nghiÖp d− Quèc tÕ AM ph¸t thanh Hµng kh«ng, C¸p ngÇm, Hµng h¶i, V« tuyÕn ®¹i d−¬ng §iÖn tho¹i §iÖn b¸o 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz 100 KHz 10 KHz 1 KHz èng dÉn sãng C¸p ®ång C¸p ®èi xøng Viba V« tuyÕn sãng ng¾n V« tuyÕn sãng dµi H×nh 1‐2: C¸c vÝ dô øng dông hÖ thèng th«ng tin liªn l¹c trong phæ ®iÖn tõ. C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 7 tr¹m chuyÓn tiÕp vµ vµo kho¶ng n¨m 150 tr−íc c«ng nguyªn c¸c tÝn quang nµy ®−îc m· ho¸ trong sù giao tiÕp theo mét quy luËt nhÊt ®Þnh ®Ó bÊt kú mét b¶n tin nµo còng cã thÓ ®−îc göi ®i. Song sù tiÕn triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin nµy lµ kh«ng tÝch cùc v× cã sù h¹n chÕ vÒ c«ng nghÖ do m¸y thu tin lµ m¾t ng−êi ®ßi hái h−íng nh×n theo ®−êng th¼ng vµ do t¸c ®éng cña khÝ quyÓn nh− m−a, m©y mï, s−¬ng... lµm cho ®−êng truyÒn kh«ng ®¸ng tin cËy. V× vËy khi nµy ng−êi ta chuyÓn sang h×nh thøc th«ng tin nhanh h¬n vµ hiÖu qu¶ h¬n lµ göi tin b»ng h×nh thøc qua ng−êi ®−a th− trªn c¸c con ®−êng. 10 21 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 TÇn sè, Hz 1Hz 1KHz 1MHz 1GHz 1THz 10 ‐12 10 ‐9 10 ‐6 10 ‐3 1.0 10 3 10 6 Tia gamma 1km 1m 1mm 1nm 1mm Tia X Tö ngo¹i Hång ngo¹i Cùc ng¾n ¸nh s¸ng TV Radio a) TÇn sè x 101 4 , Hz 7.5 TÝm 400 Vµng 500 §á 600 Da cam Lôc Lam 4.3 700 B−íc sãng, m B−íc sãng, nm b) H×nh 1‐3: Phæ ®iÖn tõ a) Ph©n bè tÇn sè vµ b−íc sãng; b) PhÇn nh×n thÊy cña phæ ®iÖn tõ. C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn 8 Optical Fiber Communication Sù ph¸t minh ra m¸y diÖn b¸o do Samuel F.B More vµo n¨m 1838 ®· b¸o hiÖu mét kû nguyªn th«ng tin míi ®ã lµ kû nguyªn cña th«ng tin ®iÖn. DÞch vô ®iÖn b¸o th−¬ng m¹i ®Çu tiªn ®−îc sö dông d©y kim lo¹i ®−îc thùc hiÖn vµo n¨m 1844 vµ sau ®ã nã ®−îc ph¸t triÓn nhanh chãng vµ réng r·i trªn kh¾p thÕ giíi. ViÖc sö dông c¸p kim lo¹i trong truyÒn dÉn tin ®−îc më réng cïng víi sù l¾p ®Æt tæng ®µi ®iÖn tho¹i ®Çu tiªn ë New Haven, Conecticut n¨m 1878. N¨m 1887 Henrich Hertz ph¸t minh ra sù bøc x¹ sãng ®iÖn tõ ë b−íc sãng dµi vµ vÊn ®Ò nµy ®−îc chøng minh vÒ Radio cña Guylielmo Marconi n¨m 1895. Trong nh÷ng n¨m sau ®ã phæ cña sãng ®iÖn tõ ®−îc lîi dông ®Ó truyÒn ®¹t tin tøc tõ n¬i nµy ®Õn n¬i kh¸c, tin tøc sè liÖu ®−îc truyÒn trªn c¸c kªnh th«ng tin b»ng c¸ch xÕp chång c¸c tÝn hiÖu trong mét bé phËn lµm biÕn ®æi sãng ®iÖn tõ vµ nã ®−îc biÕt nh− lµ sãng mang. T¹i n¬i nhËn th× tin tøc ®−îc t¸ch khái sãng mang vµ chÕ biÕn theo yªu cÇu. ViÖc t¨ng tÇn sè sãng mang trong b¨ng tÇn truyÒn dÉn s½n cã lµm t¨ng kh¶ n¨ng th«ng tin lín h¬n. V× vËy khuynh h−íng ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn lµ dïng c¸c tÇn sè cao h¬n vµ t¨ng dÇn (t−¬ng ®−¬ng víi dïng sãng ng¾n h¬n) t¹o ra t¨ng c¸c giao tiÕp trong b¨ng tÇn. Kh¶ n¨ng th«ng tin ®−îc n©ng lªn, ®©y lµ b−íc ngoÆt dÉn ®Õn sù ra ®êi cña TV, radar vµ c¸c ®−êng vi ba. PhÇn phæ cña sãng ®iÖn tõ ®−îc dïng trong th«ng tin ®iÖn ®−îc tr×nh bµy nh− h×nh vÏ 1‐2. TÇn sè trong ph¹m vi øng dông tõ kho¶ng 300Hz trong b¨ng ©m tÇn ®Õn kho¶ng 90GHz trong b¨ng sãng milimeter. M«i tr−êng truyÒn dÉn sö dông trong phæ bao gåm èng dÉn sãng, d©y kim lo¹i vµ kh«ng gian. C¸c hÖ thèng th«ng tin dïng c¸c ®−êng truyÒn nµy lµ tËp hîp c¸c m¸y ®iÖn tho¹i, m¸y ph¸t thanh AM, FM, truyÒn h×nh (television), b¨ng sãng radio cña d©n nghiÖp d− CB (citizen's band radio), radar, c¸c ®−êng vÖ tinh (Satellite links)... Mét phÇn quan träng kh¸c cña phæ sãng ®iÖn tõ bao quanh miÒn quang häc, trong miÒn nµy theo lÖ th−êng ng−êi ta dïng ký hiÖu b−íc sãng ®Ó thay thÕ cho tÇn sè. Phæ quang häc ®−îc s¾p xÕp tõ kho¶ng 50nm (miÒn cùc tÝm) ®Õn kho¶ng 100 mm (miÒn hång ngo¹i), trong ®ã C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 9 phæ ¸nh s¸ng nh×n thÊy (b»ng m¾t ng−êi) tõ 400 ®Õn 700 nm. Ng−êi ta ®· sö dông mét sè vïng b−íc sãng trong phæ quang häc cho mét hÖ thèng th«ng tin sîi quang. 1.1.2 Sù ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin quang Tõ xa x−a con ng−êi ®· biÕt dïng ¸nh s¸ng ®Ó th«ng tin cho nhau trong chiÕn tranh còng nh− trong ®êi sèng (nh− ®èt löa lµm hiÖu, ®Ìn h¶i ®¨ng...) nh−ng lóc ®ã kh¸i niÖm th«ng tin quang vÉn ch−a h×nh thµnh. N¨m 1880 Alexander Graham Bell ph¸t minh ra Photophone. ¤ng ®· truyÒn tiÕng nãi trªn mét chïm s¸ng b»ng c¸ch héi tô mét chïm s¸ng hÑp vµo mét c¸i g−¬ng máng. Khi sãng ©m t¸c ®éng lµm cho g−¬ng chuyÓn ®éng lµm biÕn ®æi t−¬ng øng n¨ng l−îng quang tõ g−¬ng truyÒn tíi bé t¸ch quang Selen do ®ã lµm thay ®æi ®iÖn trë cña nã vµ v× vËy c−êng ®é dßng ®iÖn trong èng nghe thay ®æi ®Ó thu ®−îc tiÕng nãi. Bell ®· sö dông ph¸t minh cña m×nh ®Ó truyÒn tÝn hiÖu tiÕng nãi trªn 700 feet chiÒu dµi. Tuy vËy cho ®Õn nh÷ng n¨m 1950 th«ng tin quang vÉn cßn n»m trong kh¸i niÖm. N¨m 1950, B.O’Brian lÇn ®Çu tiªn ®· sö dông c¸c bã sîi quang ®Ó truyÒn h×nh ¶nh nh−ng sîi quang cã suy hao lín nªn kh«ng sö dông ®−îc trong thùc tÕ. §Õn gi÷a n¨m 1960 tæn hao sîi vÉn cßn ë kho¶ng 1000 dB/km. N¨m 1960 ra ®êi Laser hång ngäc vµ tiÕp theo lµ sù ra ®êi cña Laser b¸n dÉn n¨m 1962 vµ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®Çu tiªn ra ®êi víi m«i tr−êng truyÒn dÉn lµ kh«ng khÝ. Do c¸c tham sè truyÒn dÉn cña m«i tr−êng thay ®æi theo nhiÖt ®é, ®é Èm, ¸p suÊt lµm th«ng tin kh«ng æn ®Þnh vµ bÞ gi¸n ®o¹n kh«ng thÓ chÊp nhËn ®−îc. N¨m 1966, t¹i Standard Telecommunications Laboratories (n−íc Anh) nh÷ng nhµ nghiªn cøu cho r»ng cã thÓ gi¶m tæn hao sîi xuèng cßn 20dB/km vµ sö dông ®−îc ®Ó truyÒn dÉn th«ng tin b»ng c¸ch khö t¹p chÊt trong thñy tinh. N¨m 1970, Mauner, D.B.Keck vµ Schultz t¹i Corning Glass Works ®· chÕ t¹o thµnh c«ng nh÷ng sîi quang ®Çu tiªn cã C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn 10 Optical Fiber Communication suy hao nhá h¬n 20 dB/km vµ cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghÖ sîi quang b¾t ®Çu. N¨m 1970 c¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang xuÊt hiÖn chñ yÕu dïng cho qu©n ®éi. §Õn n¨m 1977 hÖ thèng Bell Laboratories Lighguide ®−îc l¾p ®Æt t¹i Chicago dïng ®Ó cung cÊp dÞch vô tho¹i, sè liÖu analog, sè liÖu digital, ®iÖn tho¹i h×nh vµ dÞch vô Video 4 MHz cho kh¸ch hµng t¹i Chicago’s Brunsnich Building. Còng n¨m 1977, NTT ®· c«ng bè s¶n xuÊt ®−îc lo¹i sîi cã tiªu hao 0.5 dB/km t¹i b−íc sãng l = 1200nm. N¨m 1978 xuÊt hiÖn sîi chiÕt suÊt biÕn ®æi cã tiªu hao 3 ¸ 5 dB/km sö dông cho c¶ qu©n sù lÉn d©n sù vµ b¾t ®Çu x©y dùng nh÷ng tiªu chuÈn cho c¸c hÖ thèng nµy cña c¸c khèi SAE, NATO, EFA. N¨m 1980 vµ 1982 c¸c hÖ thèng th«ng tin ®−êng trôc 45 Mbit/s vµ 90 Mbit/s sö dông sîi quang ®· ®−îc l¾p dÆt. N¨m 1983 AT&T ®· chÕ t¹o thµnh c«ng sîi ®¬n mode. N¨m 1985 s¶n xuÊt ®−îc sîi quang c«ng t¸c t¹i b−íc sãng l= 1550nm vµ dung l−îng hÖ thèng n¨m 1986 ®· b¾t ®Çu t¨ng ®Õn 560 Mbit/s, còng n¨m 1986 ra ®êi hÖ thèng 1.2 ¸ 2.4 Gbit/s. N¨m 1985 t¹i c¸c thµnh phè Dallas vµ Newyork ®· l¾p ®Æt hÖ thèng siªu ®−êng trôc gåm 8 kªnh video/1sîi vµ n¨m 1987 lµ 16 kªnh video/1sîi. M·i ®Õn n¨m 1989 c¸c hÖ thèng vÉn dùa trªn c¬ së ghÐp kªnh kh«ng ®ång bé, chñ yÕu dùa vµo c¸c chuÈn giao tiÕp DS‐1 vµ DS‐3, ch−a cã chuÈn giao tiÕp m¹ng. N¨m 1988 xuÊt hiÖn c¸c chuÈn giao tiÕp m¹ng quang ®ång bé gäi t¾t lµ SONET, cïng trong n¨m nµy xuÊt hiÖn tiªu chuÈn cña m¹ng néi bé LAN. Cuéc c¸ch m¹ng thêi cËn ®¹i cña th«ng tin sîi quang chñ yÕu tËp trung vµo truyÒn dÉn kÕt hîp cho phÐp mang c¸c sãng quang ®· ®iÒu chÕ gièng nh− sãng v« tuyÕn víi tèc ®é sè liÖu lªn tíi trªn 10 Gbit/s. C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 11 ThÕ hÖ ®Çu tiªn c«ng t¸c ë b−íc sãng 800 nm sö dông nguån quang c¬ b¶n lµ GaAs, bé thu lµ silicon diode, vµ dïng sîi quang ®a mode. Tèc ®é truyÒn dÉn cña thÕ hÖ thø nhÊt lµ 45 Mbit/s vµ 90 Mbit/s ë Mü, 34 Mbit/s vµ 140 Mbit/s ë Ch©u ©u, 32 Mbit/s vµ 100 Mbit/s ë NhËt víi kho¶ng lÆp lµ 10 Km. ThÕ hÖ thø hai sö dông b−íc sãng 1300 nm cho phÐp t¨ng thùc sù kho¶ng lÆp trªn c¸c tuyÕn ®−êng dµi víi viÖc dïng duy nhÊt sîi quang ®¬n mode cã tiªu hao thÊp vµ ®iÒu quan träng lµ b¨ng tÇn truyÒn dÉn réng h¬n. Tèc ®é bit víi cù ly dµi lµ tõ 400 Mbit/s ®Õn 600 Mbit/s vµ cã thÓ tíi 4Gbit/s trªn cù ly tr¹m lÆp 40 Km. §−êng c¸p quang th¶ biÓn ®Çu tiªn gäi lµ TAT ‐ 8 ho¹t ®éng n¨m 1988 c«ng t¸c ë b−íc sãng 1300 nm, tèc ®é bit 296 Mbit/s, dïng sîi ®¬n mode. Trong m¹ng néi h¹t, m¹ng vïng c¶ hai lo¹i sîi ®¬n mode vµ ®a mode ®Òu ®−îc dïng ë b−íc sãng 1300 nm víi tèc ®é tõ 10 Mbit/s ®Õn 100 Mbit/s trªn kho¶ng c¸ch thay ®æi tõ 500m ®Õn 10 Km. ThÕ hÖ thø ba vµ thø t− ho¹t ®éng ë b−íc sãng 1550 nm cho phÐp tiªu hao trªn tuyÕn lµ nhá nhÊt. C¸c thÕ hÖ nµy ®· l«i cuèn nhiÒu sù chó ý ®èi víi c¸c tuyÕn truyÒn dÉn tèc ®é cao trªn ®Êt liÒn vµ d−íi biÓn. C¶ hai lo¹i ®iÒu chÕ trùc tiÕp vµ ®iÒu chÕ gi¸n tiÕp ®Òu ®−îc xem xÐt ë b−íc sãng 1550 nm. Sù ®iÒu chÕ kÕt hîp cèng hiÕn cho chóng ta nh÷ng tiÕn bé quan träng trong c¸c m¸y thu cã ®é nh¹y cao vµ nã cho phÐp sö dông c©n b»ng ®iÖn ®Ó ®Òn bï cho c¸c t¸c ®éng cña viÖc truyÒn n¨ng l−îng quang trong sîi quang. MÆc dï cã sù t¨ng tr−ëng nhanh chãng vµ thµnh c«ng trong c¸c øng dông nh−ng c«ng nghÖ sãng ¸nh s¸ng vÉn kh«ng dõng l¹i. Xa h¬n lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin mµ ë ®ã tÊt c¶ ®Òu dïng c¸c thiÕt bÞ quang bao gåm chuyÓn m¹ch quang, tr¹m lÆp quang vµ c¸c ®¬n vÞ tiÕp cËn m¹ng..... C¸c øng dông bao gåm c¶ m¹ng côc bé (LAN), c¸c m¹ch vßng thuª bao, c¸c m¹ng ph©n phèi truyÒn h×nh. Thªm n÷a cã sù nghiªn cøu sîi quang phi tuyÕn ®Ó lo¹i bá c¸c t¸c ®éng lµm rèi lo¹n ¸nh s¸ng lµm t¨ng kho¶ng c¸ch c¸c tr¹m lÆp tõ hµng tr¨m Km tíi hµng ngµn Km. C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn 12 Optical Fiber Communication 1.2 Nguyªn lý tæ chøc hÖ thèng th«ng tin quang 1.2.1 Nguyªn lý tæ chøc hÖ thèng th«ng tin quang Mét hÖ thèng truyÒn dÉn quang ®−îc tæ chøc nh− h×nh vÏ 1‐4. H×nh 1‐4: S¬ ®å tæng qu¸t cña hÖ thèng th«ng tin quang Tõ hÖ thèng tæng qu¸t ta cã mét sè nhËn xÐt sau: 1. Nguån tin: Còng nh− c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn nguån tin lµ c¸c d¹ng th«ng tin th«ng th−êng nh− tiÕng nãi, h×nh ¶nh, sè liÖu, v¨n b¶n, ©m thanh... 2. PhÇn ®iÖn tö: §Ó xö lý nguån tin, t¹o ra c¸c tÝn hiÖu ®iÖn phï hîp víi c¸c kªnh truyÒn ®−a vµo hÖ thèng truyÒn dÉn. C¸c tÝn hiÖu ®iÖn nµy cã thÓ lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù (analog) hoÆc c¸c tÝn hiÖu sè (digital). 3. Bé biÕn ®æi ®iÖn quang (E/O): Thùc hiÖn viÖc biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh tÝn hiÖu quang ®Ó ph¸t ®i. Trong hÖ thèng th«ng tin quang còng cã nh÷ng ph−¬ng thøc ®iÒu biÕn kh¸c nhau. C¸c hÖ thèng hiÖn ®ang sö dông trªn m¹ng sö dông ph−¬ng thøc ®iÒu biÕn trùc tiÕp tÝn hiÖu ®iÖn vµo c−êng ®é bøc x¹ quang. Cßn c¸c hÖ thèng th«ng tin quang kÕt hîp (Coherence) trong t−¬ng lai sÏ sö dông nguyªn lý ®iÒu biÕn gi¸n tiÕp b»ng c¸ch ®iÒu pha hoÆc ®iÒu tÇn c¸c tia bøc x¹ kÕt hîp. 4. Sîi quang (OF): Lµ m«i tr−êng truyÒn dÉn tÝn hiÖu quang, còng nh− c¸c m«i tr−êng truyÒn dÉn kh¸c nã ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu nh− suy hao tÝn hiÖu ph¶i bÐ, mÐo tÝn hiÖu ph¶i nhá, b¨ng th«ng ph¶i réng... 5. Bé biÕn ®æi quang ®iÖn (O/E): Lµ bé thu quang, ®ãn nhËn tÝn hiÖu quang thu ®−îc tõ sîi quang vµ biÕn ®æi trë l¹i thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ®−a vµo phÇn ®iÖn tö ®Ó biÕn ®æi thµnh nguån tin ban ®Çu. 6. T¶i tin: T¶i tin trong hÖ thèng th«ng tin quang lµ ¸nh s¸ng, nã còng lµ sãng ®iÖn tõ nh−ng cã tÇn sè rÊt cao tõ 10 14 ®Õn 10 15 Hz do vËy rÊt thuËn lîi cho viÖc truyÒn t¶i c¸c tÝn hiÖu b¨ng réng. C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 13 7. VÒ chuyÓn tiÕp tÝn hiÖu: Trªn ®−êng truyÒn c¸c tÝn hiÖu quang bÞ suy gi¶m do ®ã sau mét kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh ph¶i ®Æt tr¹m lÆp ®Ó chuyÓn tiÕp tÝn hiÖu. HiÖn t¹i ch−a thùc hiÖn ®−îc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu quang nªn tai c¸c tr¹m lÆp ph¶i thùc hiÖn theo c¸c b−íc c¬ b¶n sau: ‐ BiÕn ®æi tÝn hiÖu quang thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ‐ Kh«i phôc, söa d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn ‐ BiÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh tÝn hiÖu quang ®Ó tiÕp tôc ph¸t ®i. 8. Kh¶ n¨ng truyÒn dÉn: N¨ng lùc truyÒn dÉn cña bÊt kú mét hÖ thèng th«ng tin nµo còng ®Òu ®−îc ®¸nh gi¸ b»ng hai ®¹i l−îng sau: ‐ §é réng b¨ng tÇn cã thÓ truyÒn dÉn ®−îc ‐ Cù ly tr¹m lÆp HÖ thèng th«ng tin quang ®· v−ît xa c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c ë c¶ hai yªu cÇu trªn. Xu h−íng c¸c hÖ thèng quang lµ ngµy cµng truyÒn dÉn víi d¶i réng vµ cù ly kho¶ng lÆp ngµy cµng rÊt lín. Hai ®¹i l−îng trªn ®−îc x¸c ®Þnh bëi nhiÒu yÕu tè nh−: ‐ Tiªu hao vµ t¸n x¹ cña sîi dÉn quang ‐ C«ng suÊt bøc x¹, ®é réng phæ vµ tèc ®é ®iÒu biÕn cña nguån quang ‐ §é nh¹y, nhiÔu néi bé cña m¸y thu quang ‐ Tiªu hao phô khi xö lý c¸c phÇn tö trªn toµn tuyÕn th«ng tin quang... 1.2.2 C¸c phÇn tö c¬ b¶n cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. §Ó nh×n nhËn mét c¸ch ®Çy ®ñ vÒ hÖ thèng th«ng tin sîi quang ta xem xÐt c¸c phÇn tö c¬ b¶n nhÊt cã trªn mét tuyÕn truyÒn dÉn c¸p quang. Mét tuyÕn truyÒn dÉn c¸p quang bao gåm c¸c phÇn tö c¬ b¶n nh− trªn h×nh vÏ 1‐5. ‐ M¸y ph¸t quang (Transmiter): bao gåm nguån quang (Light source) vµ m¹ch ®iÒu khiÓn (Drive circuit) C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn 14 Optical Fiber Communication ‐ C¸p quang ‐ M¸y thu quang bao gåm: bé thu quang (Photo‐detector), Bé khuyÕt ®¹i (Amplifer), bé kh«i phôc tÝn hiÖu (Signal restorer) ‐ Tr¹m lÆp (Repeater): bao gåm bé thu quang (optical receiver), bé ®iÖn tö ®Ó kh«i phôc t¸i sinh hoÆc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®iÖn, bé ph¸t quang (optical transmitter) ‐ C¸c phÇn tö phô: C¸c bé nèi (connector), mèi nèi (Splice), c¸c bé t¸ch ghÐp luång quang (Optical coupler or beam splitter) TÊt c¶ c¸c phÇn tö c¬ b¶n trªn sÏ ®−îc xem xÐt, th¶o luËn cô thÓ trong c¸c phÇn sau. H×nh 1‐5: C¸c ph©n tö c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin quang C¬ së kü thuËt th«ng tin sîi quang Chu C«ng CÈn Optical Fiber Communication 15 1.3 ¦u ®iÓm cña hÖ thèng th«ng tin sîi quang. Sù tr−ëng thµnh vµ c¸c kh¶ n¨ng réng lín cña c¸c hÖ thèng th«ng tin c¸p quang lµ sù tËp hîp c¸c c«ng nghÖ t©n tiÕn vµ hiÖn ®¹i nh−: C¸c c«ng nghÖ b¸n dÉn, nã cung cÊp cho hÖ thèng c¸c nguån quang cÇn thiÕt víi c−êng ®é bøc x¹ m¹nh, ®é réng phæ hÑp, æn ®Þnh víi m«i tr−êng... C¸c bé thu quang cã ®é nh¹y cao, nhiÔu néi bé nhá, tiªu thô n¨ng l−îng thÊp... C«ng nghÖ truyÒn dÉn sãng ¸nh s¸ng t¹o ra mét m«i tr−êng truyÒn dÉn quang víi tiªu hao thÊp, mÐo tÝn hiÖu nhá, kh«ng bÞ ¶nh h−ëng can nhiÔu, b¨ng th«ng réng... KÕt qu¶ lµ mét ®−êng nèi truyÒn dÉn tin cã c¸c −u ®iÓm v−ît tréi so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn, ®Æc biÖt so víi hÖ thèng th«ng tin truyÒn dÉn b»ng c¸p kim lo¹i. C¸c −u ®iÓm ®ã bao gåm c¸c vÊn ®Ò sau: 1. Tiªu hao truyÒn dÉn thÊp vµ b¨ng tÇn truyÒn dÉn réng: Sîi quang cã c¸c tiªu hao truyÒn dÉn thÊp h¬n vµ b¨ng tÇn truyÒn dÉn réng h¬n so víi c¸p ®ång. §iÒu nµy cã nghÜa lµ hÖ thèng c¸p quang cã thÓ göi ®i nhiÒu sè liÖu h¬