Ngày nay trong xu h-ớng hội nhập toàn cầu, nhu cầu trao đổi thông
tin ngày càng phát triển. Các dịch vụ thông tin ngày càng tăng cả về số
l-ợng và chất l-ợng, chúng hết sức đa dạng về tốc độ cũng nh- dung
l-ợng, từ các dịch vụ thông tin băng tần hẹp nh- Telex, Fax, thoại đến
các dịch vụ thông tin băng tần rộng nh- thoại hình, truyền hình Với
nhu cầu này, các hệ thống thông tin cần phải có tốc độ và dung l-ợng
cao để sẵn sàng đáp ứng mọi nhu cầu dịch vụ mà vẫn bảo đảm chất
l-ợng theo yêu cầu. Đây là vấn đề hết sức khó khăn đối với các hệ thống
thông tin sử dụng cáp kim loại và các hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ
thống thông tin quang ra đời đã giải quyết đ-ợc các vấn đề trên và nó đã
thể hiện đ-ợc tính -u việt hơn hẳn so với các hệ thống truyền dẫn khác.
Hệ thống thông tin quang đ-ợc xây dựng và phát triển trên cơ sở của
các công nghệ hiện đại và tiên tiến đó là: Công nghệ quang l-ợng tử,
công nghệ truyền dẫn ánh sáng và công nghệ điện tử - tin học. Các hệ
thống thông tin sợi quang đã thể hiện đ-ợc những -u điểm v-ợt trội trên
các mặt: Có dung l-ợng và tốc độ truyền dẫn cao, suy hao hệ thống nhỏ,
cự ly thông tin xa, chất l-ợng thông tin cao, tính bảo mật thông tin tốt,
kích th-ớc hệ thống nhỏ, cấu hình hệ thống linh hoạt Hiện tại cũng
nh- trong t-ơng lai, hệ thống thông tin quang sẽ dần dần thay thế các hệ
thống truyền dẫn cáp kim loại. Do vậy, việc nghiên cứu và nắm bắt hệ
thống thông tin quang là vấn đề rất quan trọng và hết sức cần thiết
231 trang |
Chia sẻ: hoang10 | Lượt xem: 720 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Cơ sở kĩ thuật thông tin sợi quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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¬