TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Hệ thống thông tin sợi quang
Thông tin quang, khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, sử dụng hệ thống sợi quang để truyền tải dữ liệu Thông tin được chuyển đổi thành ánh sáng và truyền qua sợi quang, sau đó được chuyển đổi trở lại thành thông tin ban đầu tại điểm nhận.
Hình 1.1 Hệ thống truyền dẫn sợi quang digital
Sự phát triển của xã hội đã dẫn đến nhu cầu ngày càng cao về thông tin, yêu cầu mạng viễn thông phải có dung lượng lớn và tốc độ cao Tuy nhiên, các mạng lưới hiện tại đang gặp phải những yếu điểm về tốc độ, dung lượng và băng thông Để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ thông tin, hệ thống thông tin quang đã ra đời và khẳng định vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng truyền dẫn thông tin.
1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Lịch sử thông tin đã phát triển qua nhiều hệ thống khác nhau, được phân loại dựa trên môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của chúng.
Sợi quang Âm thanh, hình ảnh, dữ liệu Âm thanh, hình ảnh, dữ liệu Xung điện
Bộ tách quang Bộ giải mã
Hệ thống thông tin hiện nay bao gồm cáp đồng trục, hệ thống viba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang, với sự phân chia thành hữu tuyến và vô tuyến Những hệ thống này đã được phát triển và cải tiến từ các thế hệ trước, mang lại cự ly truyền dẫn xa hơn, tốc độ nhanh hơn, và chất lượng tín hiệu tốt hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Mỗi loại hệ thống như cáp đồng trục, viba và vệ tinh đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Đặc biệt, hệ thống thông tin quang sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tải thông tin, với các sóng ánh sáng chủ yếu nằm trong các cửa sổ truyền dẫn từ 0,8 đến 0,9 µm, 1 đến 1,3 µm và 1,5 đến 1,7 µm Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đã diễn ra mạnh mẽ và đáng chú ý.
Từ xa xưa, con người đã sử dụng ánh sáng như lửa và ngọn hải đăng để giao tiếp, nhưng chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang Đầu những năm 70, máy điện báo quang ra đời, sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn, nhưng bị ảnh hưởng bởi thời tiết Để khắc phục, Marconi phát minh ra máy điện báo vô tuyến, cho phép trao đổi thông tin giữa người gửi và nhận ở khoảng cách xa Sau đó, G Bell phát minh ra Photophone, truyền tiếng nói qua chùm ánh sáng với khoảng cách lên đến 213 m Đến đầu những năm 80, hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang được lắp đặt, và cuối những năm 80 xuất hiện hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s cùng chuẩn SONET Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 d/km ở bước sóng 1550nm, với nhiều loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp.
Khối Bắc Mỹ Khối châu Âu Khối Nhật Bản
Trong những năm gần đây, tiêu chuẩn SONET đã được phát triển, với tốc độ truyền dẫn đặc biệt xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi lưu lượng ghép kênh số qua sợi quang Mức đầu tiên của phân cấp tín hiệu SONET, được gọi là "tín hiệu truyền tải tín hiệu đồng bộ - cấp 1" (STS - 1), có tốc độ bit là 51,84 Mbit/s Các tín hiệu SONET cấp cao hơn được gọi là tín hiệu OC - N (Optical Carrier - Level N), với tốc độ đường truyền gấp N lần tín hiệu OC - 1.
Mức OC-1 OC-3 OC-9 OC-12 OC-18 OC-24 OC-36 OC-48
Các hệ thống quang đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu và trải qua năm thế hệ Thế hệ 1 hoạt động ở bước sóng 800nm với tốc độ truyền dẫn 45/95 Mbit/s tại Mỹ, 34/140 Mbit/s tại Châu Âu, và 32/100 Mbit/s tại Nhật Bản, có khoảng lặp 10km Trong khi đó, thế hệ 2 sử dụng bước sóng 1300nm, đạt tốc độ từ 400 đến 600 Mbit/s và có thể lên tới 4 Gbit/s, với khoảng lặp lên đến 40km.
Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn với bước sóng 1550nm, có suy hao trên sợi quang khoảng 0,2 d/km Mặc dù hệ số tán sắc cao từ 16 đến 18 ps/km.nm, công nghệ này vẫn có thể đạt tốc độ lên đến 10 Gbit/s trong khoảng cách lặp từ 60 đến 70km.
Thế hệ thứ 4 của công nghệ truyền dẫn quang sử dụng khuếch đại quang EDF và ghép kênh quang WDM, cho phép tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn lên đến 5 Gbit/s ở khoảng cách 14,300 km Đến năm 2000, công nghệ này đã đạt được tốc độ 100 Gbit/s xuyên qua Đại Tây Dương.
Thế hệ 5 (5G) được phát triển để khắc phục vấn đề tán sắc của sợi quang và ứng dụng công nghệ khuếch đại quang, cho phép đạt tốc độ truyền dẫn lên đến 1,2 Tbit/s Công nghệ này cũng hỗ trợ truyền dẫn siliton ở khoảng cách lên tới 9400 km, mang lại hiệu suất cao trong việc truyền tải dữ liệu.
70 Gbit/s nhờ ghép 7 kênh 10 Gbit/s
Khuếch đại quang Đầu thu quang
Khôi phục tín hiệu Khuếch đại
Hình 1.2 Quá trình phát triển của thông tin sợi quang
1.1.3 Các thành phần chính trong hệ thống thông tin quang
Hình 1.3 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Tuyến quang bao gồm ba thành phần chính: phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển Cáp sợi quang bao gồm các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc bảo vệ sợi quang khỏi tác động xấu từ môi trường.
1500 nm Tách sóng trực tiếp
Tốc độ và khoảng cách truyền tải thông tin quang (GHz.km) phụ thuộc vào các thành phần như bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại và tái tạo tín hiệu Hệ thống thông tin quang bao gồm các bộ nối quang, mối hàn, bộ chia quang và trạm lặp, tạo thành một tuyến thông tin hoàn chỉnh Đặc tuyến suy hao của sợi quang có ba vùng bước sóng với suy hao thấp là 850nm, 1300nm và 1550nm, được gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba Thời kỳ đầu, cửa sổ thứ nhất được sử dụng, nhưng với sự phát triển công nghệ, hiện nay các hệ thống thông tin quang chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba do suy hao thấp hơn.
Nguồn phát quang trong thiết bị phát có thể là diode phát quang (LED) hoặc laser bán dẫn (LD), cả hai đều thích hợp cho hệ thống thông tin quang Tín hiệu quang đầu ra sẽ biến đổi theo sự thay đổi của dòng điều biến, trong khi tín hiệu đầu vào có thể ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phát sẽ chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang, với công suất quang đầu ra phụ thuộc vào cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo, và đoạn sợi quang ra (pigtail) cần phải phù hợp với sợi dẫn quang trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng được điều chế tại nguồn phát quang sẽ truyền qua sợi dẫn quang đến bộ thu quang Trong quá trình truyền, tín hiệu ánh sáng có thể bị suy hao và méo do các yếu tố như hấp thụ, tán xạ và tán sắc.
Bộ tách sóng quang ở đầu thu nhận ánh sáng và tách tín hiệu từ hướng phát Tín hiệu quang sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện Cả photodiode p-i-n và photodiode thác PD đều có thể được sử dụng làm bộ tách sóng quang trong hệ thống thông tin quang, với hiệu suất cao và tốc độ chuyển đổi nhanh Vật liệu bán dẫn chế tạo bộ tách sóng quang quyết định bước sóng làm việc, và đoạn sợi quang đầu vào cần tương thích với sợi dẫn quang trên tuyến lắp đặt Độ nhạy thu quang là đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang, mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở tốc độ truyền dẫn số tương ứng với tỷ lệ lỗi bit cho phép của hệ thống.
Sợi quang
Sợi cáp quang bao gồm ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding) và lớp vỏ bảo vệ chính (coating hay còn gọi là primary buffer).
Lõi của sợi quang được chế tạo từ sợi thủy tinh hoặc nhựa, có chức năng dẫn truyền ánh sáng Để ánh sáng có thể phản xạ hoàn toàn trong lõi, chiết suất của lõi cần phải cao hơn một chút so với chiết suất của lớp áo bên ngoài.
Cladding bao bọc core là lớp bảo vệ được làm từ thủy tinh hoặc nhựa, có chức năng phản xạ ánh sáng trở lại lõi Lõi và áo được chế tạo từ các vật liệu như silica, nhựa, kim loại, fluor, và sợi quang kết tinh, với thành phần và chiết suất khác nhau.
Lớp phủ chính (Primary coating) là lớp nhựa PVC bảo vệ lõi và lớp cladding khỏi bụi bẩn, độ ẩm và trầy xước Nó có chức năng bảo vệ sợi quang khỏi ẩm ướt và ăn mòn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng xuyển âm từ các sợi quang bên cạnh.
Hai loại cáp quang phổ biến hiện nay là GOF (Glass Optical Fiber) và POF (Plastic Optical Fiber) GOF được làm từ thủy tinh, trong khi POF được sản xuất từ plastic với đường kính core lớn khoảng 1 mm Cáp POF thích hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu ở khoảng cách ngắn và mạng tốc độ thấp.
Bảo vệ sợi cáp quang bao gồm ba lớp chính: lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) Lớp chịu lực kéo thường được làm từ sợi Kevlar, giúp cáp chịu nhiệt và kéo căng Lớp buffer, thường bằng nhựa PVC, bảo vệ cáp khỏi va đập và ẩm ướt Cuối cùng, lớp jacket là lớp bảo vệ bên ngoài cùng, có khả năng chịu va đập, nhiệt và mài mòn, giúp bảo vệ phần bên trong khỏi ẩm ướt và các yếu tố môi trường khác Tùy theo yêu cầu sử dụng, mỗi loại cáp có thể có các lớp jacket khác nhau.
Có hai loại thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (close- tube) và ống đệm chặt (tight buffer)
1.2.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
Trong môi trường chân không hoặc môi trường đồng nhất không có tán sắc, ánh sáng, bao gồm cả ánh sáng đơn sắc và không đơn sắc, luôn truyền thẳng với vận tốc không đổi Vận tốc ánh sáng được xác định bởi công thức c = f.λ, trong đó f là tần số và λ là bước sóng.
Tốc độ ánh sáng trong không gian tự do khoảng 3 x 10^8 m/s, với các photon truyền thẳng và không đổi Khi xét ánh sáng dưới dạng sóng, các sóng di chuyển theo phương thẳng, trong đó vectơ điện trường E và từ trường H vuông góc với phương truyền sóng Trong môi trường vật chất trong suốt, vận tốc ánh sáng v có thể nhỏ hơn tốc độ c, phụ thuộc vào chỉ số chiết suất n của vật liệu, được tính bằng v = c/n Chỉ số chiết suất của không khí là 1,00; nước là 1,33; thuỷ tinh là 1,50 và kim cương là 2,42, dẫn đến tốc độ ánh sáng giảm n lần so với trong chân không.
1.2.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng di chuyển giữa hai môi trường có chỉ số chiết suất khác nhau Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác, nó sẽ thay đổi hướng truyền tại ranh giới giữa hai môi trường Điều này dẫn đến hai khả năng: khúc xạ và phản xạ ánh sáng.
- Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại
- Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2
Khi tia sáng đi qua ranh giới giữa hai môi trường, nếu nó thay đổi hướng và tiếp tục đi vào môi trường mới, ta gọi là khúc xạ Ngược lại, nếu tia sáng quay trở lại môi trường ban đầu, ta gọi là phản xạ Hình 1.5 minh họa quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng khi ánh sáng di chuyển qua hai môi trường trong suốt, với chiết suất của môi trường thứ nhất n1 lớn hơn chiết suất của môi trường thứ hai n2.
Hình 1.5 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng với góc tới khác nhau
Trong hiện tượng khúc xạ ánh sáng, góc tới (i) là góc giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường và tia tới, trong khi góc khúc xạ (φr) là góc giữa pháp tuyến và tia khúc xạ Khi chiết suất của môi trường đầu tiên (n1) lớn hơn môi trường thứ hai (n2), góc tới i sẽ nhỏ hơn góc khúc xạ φr, như thể hiện trong hình 1.5a Khi góc tới tăng dần đến giá trị góc tới hạn (θc), tia khúc xạ sẽ trở nên song song với ranh giới phân cách hai môi trường, và θc được gọi là góc tới hạn, như minh họa trong hình 1.5b.
1.2.2.2 Định luật Snell Định luật Snell phát biểu: “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một hằng số Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ ( r ) phụ thuộc vào sin góc tới (θ i )” như sau:
Khi ánh sáng đi qua hai môi trường vật liệu có chiết suất n1 và n2, nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn, ánh sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection), như được minh họa trong Hình 1.5 c).
Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn
Để ánh sáng truyền qua sợi dẫn quang, góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θ c =arcsin (n 2 /n 1 ) Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng là nguyên lý cơ bản cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong thông tin quang Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng được lan truyền thông qua hiện tượng phản xạ toàn phần.
Khi ánh sáng truyền qua các môi trường có đường biên song song, như trong ống thủy tinh, chiết suất của môi trường đầu tiên và môi trường cuối cùng đều bằng nhau (cùng là không khí - n1) Tuy nhiên, chiết suất của môi trường trung gian, tức là thủy tinh, lại lớn hơn chiết suất của không khí (n2 > n1).
Suy hao sợi quang
1.3.1 Suy hao trong sợi quang
Suy hao trên sợi quang là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống quang học, ảnh hưởng đến khoảng cách giữa nguồn phát và đầu thu Suy hao tín hiệu, hay còn gọi là suy hao sợi, được xác định bằng hệ số suy hao, là tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout và công suất quang đầu vào Pin của sợi dẫn quang dài L Tỷ số này phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu quang.
(1.2) và đơn vị của α được tính theo decibel trênkm (dB/km) [3]
1.3.1.1 Suy hao do hấp thụ
Hấp thụ trong sợi quang đóng vai trò quan trọng trong việc xác định bản chất suy hao của sợi quang Hiện tượng hấp thụ này xảy ra do ba cơ chế khác nhau.
Sự hấp thụ ánh sáng trong sợi quang chủ yếu do các tạp chất như nước và ion kim loại chuyển tiếp, bao gồm sắt, crom, coban và đồng, gây ra hiện tượng suy hao Các sợi quang trước đây có tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ có suy hao từ 1 đến 10 dB/km, trong đó nước đóng vai trò quan trọng làm tăng suy hao Liên kết OH hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2,7μm, kết hợp với cộng hưởng silic, tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400, 950 và 750nm Giữa các đỉnh này tồn tại các vùng suy hao thấp, được gọi là các cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm và 1550nm, mà các hệ thống thông tin sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng.
Hấp thụ vật liệu có thể dẫn đến suy hao nhỏ hơn ở các bước sóng dài hơn, nhưng các liên kết nguyên tử trong vật liệu lại hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng này Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ vẫn ảnh hưởng đến chúng, kéo theo sự suy giảm không đáng kể ở bước sóng 1550nm.
Hấp thụ cực tím xảy ra khi ánh sáng bị hấp thụ do các photon kích thích điện tử trong nguyên tử lên trạng thái năng lượng cao hơn Mối quan hệ giữa bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của vật liệu không kết tinh và kết tinh được mô tả bởi định luật Urbach: α uv = C.e E/E0, trong đó C và E0 là các hằng số kinh nghiệm và E là năng lượng photon.
1.3.1.2 Suy hao do tán xạ
Tán xạ tuyến tính trong sợi quang xảy ra do sự không đồng đều nhỏ của lõi sợi, bao gồm những thay đổi trong vật liệu, cấu trúc và khiếm khuyết trong quá trình chế tạo Thủy tinh được tạo ra từ các oxit như SiO2, GeO2 và P2O5 có thể dẫn đến sự thay đổi thành phần, làm tăng sự thay đổi chiết suất và gây ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng tương đương với kích thước cấu trúc tán xạ Suy hao do tán xạ có thể làm giảm một phần tư công suất của bước sóng, khiến các hệ thống hoạt động ở bước sóng dài trở nên quan trọng hơn Đối với thủy tinh thuần khiết, suy hao do tán xạ tại bước sóng λ do sự bất ổn định về mật độ gây ra có thể được diễn giải một cách cụ thể.
Trong nghiên cứu quang học, các tham số quan trọng bao gồm hệ số tán xạ Rayleigh (αscat), bước sóng quang (λ) tính bằng mét, chiết suất môi trường (n), và hệ số quang đàn hồi trung bình (p) Độ nén đẳng nhiệt (βc) được đo bằng mét vuông trên Newton (m²/N) tại nhiệt độ T (đơn vị là Kelvin) Ngoài ra, hằng số Boltzmann (K) cũng đóng vai trò quan trọng trong các tính toán liên quan.
Hệ số tán xạ Rayleigh liên hệ với hệ số suy hao truyền dẫn (Transmission loss factor) như sau:
Với: L là độ dài sợi quang (m)
Hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh sẽ là: α (d /km) = 10log10(1/L km ) (1.6)
1.3.1.3 Suy hao do uốn cong
Suy hao sợi quang được chia thành hai loại chính: suy hao bên trong và suy hao bên ngoài Suy hao bên trong, bao gồm suy hao hấp thụ và suy hao do tán xạ, xuất phát từ quá trình chế tạo và công nghệ sản xuất Ngược lại, suy hao bên ngoài không liên quan đến bản chất của sợi, mà là kết quả của việc uốn cong trong quá trình vận hành và sử dụng thực tế Suy hao uốn cong lại được phân thành hai loại.
- Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này thường xảy ra do sợi được bọc thành cáp
- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hoặc tương đương đường kính sợi
Khi ánh sáng chiếu vào sợi quang bị uốn cong, một phần ánh sáng sẽ thoát ra ngoài lớp bọc Nếu sợi quang chỉ bị uốn cong nhẹ, thì chỉ một lượng nhỏ ánh sáng bị mất Tuy nhiên, khi sợi quang bị uốn cong nhiều hơn, mức độ suy hao ánh sáng sẽ tăng lên đáng kể.
Do đó người ta quy định bán kính uốn cong cho phép:
Từ công thức trên ta thấy có thể giảm suy hao uốn cong bằng cách:
- Thiết kế sợi quang có độ lệch chiết suất lớn hơn
- Hoạt động ở bước sóng ngắn hơn có thể Đối với sợi đơn mode, bán kính uốn cong tới hàn được tính như sau:
Uốn cong cáp có thể xảy ra trong quá trình chế tạo và lắp đặt, đặc biệt là khi xoắn ruột cáp Để đảm bảo độ bền và hiệu suất của cáp, cần tuân thủ quy tắc uốn cong với bán kính R nhỏ hơn Rc, trong đó Rc dao động từ 30 đến 50 mm.
1.3.1.4 Suy hao và dải thông
Dải thông có thể được xác định bằng Δλ hoặc Δf Chúng liên hệ với nhau bởi phương trình:
Phương trình f = c/λ cho phép tính toán dải thông hữu ích trong hệ thống thông tin quang, với các bước sóng cơ bản là 1.3μm và 1.5μm Tại bước sóng 1.3μm, suy hao d khoảng 80nm, trong khi ở 1.55μm, suy hao d là 180nm Dải thông quang có thể đạt tới 35000 GHz, một con số rất lớn so với tốc độ bit tối đa chỉ vài chục Mbit/s cần thiết cho các ứng dụng hiện nay.
Dải thông hiệu dụng của sợi quang trong các mạng hiện nay chủ yếu bị giới hạn bởi dải thông của bộ khuếch đại EDF (Erbium Doped Fiber Amplifier) Suy hao ở bước sóng λ = 1.55μm được phân chia thành ba vùng, trong đó vùng giữa từ 1530 ÷ 1565nm được gọi là dải C, nơi mà hệ thống WDM hoạt động với bộ khuếch đại EDF thông thường.
Dải sóng từ 1565 đến 1625nm, được gọi là dải L, chứa các bước sóng dài hơn trong dải C và được sử dụng trong các hệ thống WDM có dung lượng cao hiện nay với bộ khuếch đại GSEDA (Gain-Shifted Erbium-Doped Amplifier) Trong khi đó, dải dưới 1530nm, với các bước sóng ngắn hơn dải C, được gọi là dải S và được khuếch đại bằng bộ khuếch đại quang sợi Raman.
1.3.2 Tán sắc trong sợi quang đơn mode
Trong sợi quang, các tần số ánh sáng và mode khác nhau truyền đi với thời gian khác nhau, hiện tượng này được gọi là tán sắc Tán sắc gây ra sự co giãn xung trong truyền dẫn quang, dẫn đến giao thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit tại máy thu và giảm khoảng cách truyền dẫn Độ dãn xung có thể được mô tả bằng một công thức cụ thể.
Với L là chiều dài của sợi dẫn quang, τ n thể hiện sự trễ nhóm trên mỗi đơn vị chiều dài, λ S là bước sóng trung tâm, và σλ là độ rộng trung bình bình phương của phổ nguồn phát.
Ta có tổng tán sắc trên sợi dẫn quang gồm:
Thiết bị phát quang
Thiết bị phát quang là thành phần quan trọng của hệ thống thông tin quang, có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát tín hiệu này vào sợi quang để truyền dẫn thông tin Nguồn phát quang chính là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn LD, thường được sử dụng trong các hệ thống này Những nguồn phát này mang lại nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi, và khả năng điều chế ở tần số cao.
1.4.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng
Khi một điện tử ở mức năng lượng thấp (E1) và không có điện tử nào ở mức năng lượng cao hơn (E2), nếu có năng lượng tương ứng với chênh lệch năng lượng giữa hai mức này, điện tử sẽ nhảy lên mức E2 Quá trình cung cấp năng lượng từ bên ngoài để đưa điện tử lên mức năng lượng cao hơn được gọi là kích thích Khi điện tử rời khỏi mức E2, nó sẽ trở về trạng thái ban đầu E1 dưới tác động của hạt nhân nguyên tử, và trong quá trình này, năng lượng chênh lệch (E2 - E1) sẽ được giải phóng dưới dạng ánh sáng, gọi là ánh sáng phát xạ tự phát Theo cơ học lượng tử, bước sóng của ánh sáng phát xạ được tính theo một công thức cụ thể.
Hằng số Planck (h = 6,625.10^-34 js) và vận tốc ánh sáng (c = 3.10^8 m/s) cho thấy rằng bước sóng ánh sáng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử trong linh kiện phát quang Vì vậy, bước sóng ánh sáng phát xạ chính là chỉ số phản ánh bản chất của vật liệu.
Hình 1.8 Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch
Khi ánh sáng với năng lượng E2 - E1 tác động lên một điện tử ở trạng thái kích thích E2, điện tử này có xu hướng chuyển về trạng thái E1, dẫn đến hiện tượng phát xạ kích thích Năng lượng ánh sáng phát ra trong trường hợp này lớn hơn năng lượng ánh sáng phát ra tự nhiên Trong bán dẫn, cơ chế phát xạ được thực hiện nhờ khả năng tái hợp bức xạ phát quang của các hạt dẫn ở trạng thái kích thích Theo điều kiện cân bằng nhiệt, phần lớn điện tử tập trung ở vùng hóa trị với mức năng lượng thấp, trong khi một số ít ở vùng dẫn với mức năng lượng cao Giả sử trong bán dẫn có N điện tử, trong đó n1 điện tử ở vùng hóa trị và n2 điện tử ở vùng dẫn, khi ánh sáng chiếu vào, tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và hấp thụ tỷ lệ thuận với tỷ số n2 và n1, dẫn đến việc hấp thụ chiếm ưu thế và ánh sáng phát ra giảm đi.
Loại n Loại p Điện tử được phun vào
1.51 eV Tái hợp điên tử và lỗ trống
Lỗ trống được phun vào hv = 820 nm
Chỉ số chiết suất Ánh sáng
Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) là nguồn phát quang lý tưởng cho các hệ thống thông tin quang với tốc độ tối đa 200 Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode Để hoạt động hiệu quả trong hệ thống này, LED cần có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử tốt Công suất bức xạ, được đo bằng Watt, là lượng quang phát ra trên một đơn vị diện tích bề mặt phát Công suất bức xạ cao giúp dễ dàng ghép nối giữa các sợi dẫn quang và LED, đồng thời cung cấp công suất phát ra lớn từ đầu sợi.
Thời gian đầu, diode phát quang chủ yếu được sử dụng cho sợi quang đa mode khi công nghệ thông tin quang chưa phổ biến Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống thông tin quang, sợi dẫn quang đơn mode đã được áp dụng, và LED đã được sản xuất dưới dạng các modul với sợi dẫn quang đơn mode Các diode phát quang cho sợi đơn mode SMF trở thành nguồn phát hấp dẫn cho mạng thông tin quang nội hạt, truy cập và các tuyến cự ly ngắn nhờ vào giá thành rẻ Hơn nữa, công suất quang đầu ra của chúng ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường đi kèm với mạch điều khiển đơn giản.
Thực nghiệm cho thấy độ dài tuyến quang có thể đạt tới 9,6 km với tốc độ 2 Gbit/s và 100 km với tốc độ 16 Mbit/s Mặc dù LED có giá thành thấp và độ tin cậy cao, nhưng chúng chủ yếu phù hợp cho mạng nội hạt và các tuyến thông tin quang ngắn với tốc độ bit trung bình thấp.
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nhiều dạng và kích cỡ khác nhau, tồn tại dưới dạng khí, chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn Trong các hệ thống thông tin quang, nguồn phát laser chủ yếu là laser bán dẫn, thường được gọi là LD Mặc dù các loại laser có sự khác biệt, nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng là giống nhau, bao gồm ba quá trình chính: hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích, được mô tả qua sơ đồ hai mức năng lượng.
Các hệ thống thông tin quang hiện nay có tốc độ rất cao, dao động từ 2.5 Gbit/s đến 10 Gbit/s, và nhiều hệ thống trong phòng thí nghiệm đã đạt tới tốc độ 40 Gbit/s Đặc biệt, các hệ thống nhiều kênh sử dụng công nghệ WDM trong môi trường nghiên cứu đã đạt được tốc độ từ 1,2 đến 1,6 Tbit/s Để đáp ứng yêu cầu về băng tần lớn của các hệ thống này, việc sử dụng laser diode (LD) sẽ phù hợp hơn so với diode phát quang LED.
LD thông thường có thời gian đáp ứng dưới 1ns, với độ rộng phổ trung bình từ 0,8nm đến 2nm Công suất ghép vào sợi quang của LD đạt vài miliwatt.
1.4.4 Nhiễu trong nguồn phát laser
Khi laser được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, các hiện tượng như nhiễu mode, nhiễu cạnh tranh mode và nhiễu phản xạ bắt đầu xuất hiện, đặc biệt khi tốc độ biến đổi tăng cao Sự truyền ánh sáng qua sợi dẫn quang kết hợp với suy hao mode phụ thuộc, thay đổi pha giữa các mode và phân bố năng lượng không ổn định sẽ làm gia tăng nhiễu mode Nhiễu mode xuất hiện do suy hao bất kỳ trong tuyến, và các nguồn phát quang băng hẹp, như laser đơn mode, thường gây ra nhiễu mode lớn hơn so với các nguồn phát băng rộng.
Hiện tượng phản xạ nhỏ trở lại laser từ các mặt phản xạ bên ngoài có thể gây ra sự thay đổi đáng kể trong nhiễu mode, ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống Nhiễu phản xạ này liên quan đến méo tuyến tính đầu ra của laser diode (LD), do ánh sáng phản xạ trở lại từ các điểm nối sợi và đi vào hốc cộng hưởng laser.
Có thể giảm được nhiễu phản xạ khi dùng các bộ cách ly giữa LD và sợi dẫn.
Thiết bị thu quang
Bộ thu quang là thiết bị quan trọng trong hệ thống thông tin quang, chịu trách nhiệm biến đổi sóng tín hiệu quang thành tín hiệu điện Tín hiệu quang được chuyển đổi thông qua bộ biến đổi quang - điện (O/E), thường là photodiode, hoạt động theo quy luật bình phương để tạo ra dòng điện từ công suất quang thu được Do đó, bộ thu này được gọi là bộ thu tách trực tiếp (DD - Direct Detection) Các thành phần của bộ biến đổi O/E có thể bao gồm photodiode p-i-n hoặc photodiode thác (APD - Avalanche Photodiode).
Photodiode p-i-n là thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, với cấu trúc bao gồm các vùng p và n được ngăn cách bởi một lớp tự dẫn i mỏng Để hoạt động hiệu quả, photodiode p-i-n cần được cấp một thiên áp ngược nhằm loại bỏ các hạt mang Khi ánh sáng chiếu vào, nếu photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn, nó sẽ kích thích điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống Thiết kế của photodiode thường hướng tới việc phát sinh hạt mang chủ yếu tại vùng nghèo, nơi hấp thụ hầu hết ánh sáng, giúp tăng cường dòng điện ở mạch ngoài, được gọi là dòng photon.
Hình 1.10 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng của photodiode p-i-n
Trong lý tưởng, mỗi photon chiếu vào sẽ tạo ra một xung điện trong mạch ngoài, với dòng điện trung bình tỷ lệ thuận với công suất ánh sáng Tuy nhiên, thực tế cho thấy một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ.
Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs ước sóng λ μm 0,4÷1,1 0,8÷1,8 1,0÷1,7 Đáp ứng R A/W 0,4÷0,6 0,5÷0,7 0,6÷0,9
Thời gian lên T r ns 0,5÷1 0,1÷0,5 0,05÷0,5 ăng tần Δf GHz 0,3÷0,6 0,5÷3 1÷5
1.5.2 Photodiode thác APD Để tăng độ nhạy diode quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện Photodiode thác ký hiệu APD
Vùng nghèo Vùng hoá trị
Photodiode avalanche có khả năng xử lý tín hiệu nhỏ tốt hơn nhờ vào việc khuếch đại dòng photo ngay bên trong trước khi nó đi vào mạch khuếch đại Quá trình này làm tăng độ nhạy của máy thu một cách đáng kể Để đạt được hiệu ứng nhân bên trong, các hạt mang cần được tăng dần năng lượng để ion hóa các điện tử xung quanh thông qua va chạm Các điện tử này sẽ được đẩy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới Những hạt mang mới này tiếp tục được gia tốc bởi điện trường cao, dẫn đến việc phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới khác, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng thác.
Hình 1.11 Cấu trúc photodiode thác và trường điện trong vùng trôi ảng 1.5 Các đặc tính của các photodiode thác PD
Tham số Kí hiệu Đơn vị Si Ge InGaAs ước sóng λ μm 0,4÷1,1 0,8÷1,8 1,0÷1,7 Đáp ứng R APD A/W 80÷130 3÷30 5÷20
Thời gian lên T r ns 0,1÷1 0,5÷0,8 0,1÷5 ăng tần Δf GHz 0,2÷1 0,4÷0,7 1÷3
Các kỹ thuật ghép kênh quang
Dịch vụ thông tin hiện nay đang phát triển nhanh chóng, yêu cầu các công nghệ ghép kênh như OFDM, OTDM và WDM để đáp ứng nhu cầu về dung lượng truyền dẫn và tính linh hoạt của mạng Mỗi công nghệ ghép kênh đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho mạng lưới thực tế cần xem xét các yếu tố như xu hướng nhu cầu, cấu hình mạng, độ tin cậy của phần cứng và khả năng mở rộng trong tương lai.
1.6.1 Kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo tần số OFDM
Trong ghép kênh OFDM, băng tần sóng ánh sáng được chia thành nhiều kênh thông tin riêng biệt Các kênh ánh sáng với tần số quang khác nhau được chuyển đổi thành các luồng song song, cho phép truyền đồng thời trên một sợi quang.
Các sóng ánh có tiềm năng thông tin cao nhờ tần số vượt quá 200000 GHz Sợi quang có suy hao nhỏ trong dải bước sóng từ 0,8 đến 1,8 μm, tương đương với băng tần 200000 GHz Điều này cho phép truyền nhiều kênh quang FDM trên sợi, với mỗi kênh có băng tần rộng riêng biệt.
Mặc dù công nghệ OFDM đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng cách đây 10 năm, đã có hệ thống ghép kênh quang lên tới 100 kênh Sự phát triển của công nghệ cáp quang với các cáp có hơn 100 sợi đã giúp các hệ thống thông tin ghép kênh theo tần số không cần phải đạt hiệu suất cao như ghép kênh FDM trong các hệ thống vô tuyến.
Ghép kênh quang theo tần số OFDM được coi là phương pháp tiên tiến hơn WDM, cho phép ghép nhiều kênh ở băng tần lớn với mật độ dày đặc hơn Phương pháp này thực hiện hoàn toàn trên tín hiệu quang mà không cần biến đổi điện, giống như các kỹ thuật thông thường Số lượng chùm bit được ghép phụ thuộc vào tốc độ của từng luồng Tại đầu thu, tín hiệu quang sẽ được tách ra, công suất quang được chia và các kênh riêng lẻ sẽ được phục hồi.
OFDM khai thác băng tần lớn của sợi quang bằng cách ghép các kênh ở các bước sóng khác nhau, tạo thành một luồng thông tin lớn Nó tương tự như ghép kênh theo bước sóng WDM, cho phép tăng dung lượng kênh và vượt qua giới hạn tán sắc của sợi quang OFDM đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai, là yếu tố thiết yếu cho việc phát triển mạng cáp quang toàn cầu.
1.6.2 Kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM
Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM được sử dụng trong lĩnh vực điện để phân cấp số cho các hệ thống truyền dẫn Phương thức này cho phép các hệ thống thông tin quang đơn kênh tải nhiều kênh TDM, nhưng gặp khó khăn khi tốc độ bit vượt quá 10 Gbit/s do hạn chế của điện tử tốc độ cao và khả năng điều chế của nguồn laser Giải pháp ghép kênh quang theo thời gian OTDM mang lại khả năng tăng tốc độ bit cho tín hiệu quang đơn lên tới hàng Tbit/s.
Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo thời gian OTDM cho phép ghép 4 kênh quang, như mô tả trong hình 1.13 Quá trình này bắt đầu bằng việc phát chuỗi xung quang hẹp từ nguồn laser, có thể được khuếch đại nếu cần thiết Các tín hiệu sau đó được chia thành N luồng và điều chế với tốc độ B Gbit/s Để ghép các tín hiệu, chúng phải đi qua các bộ trễ quang, điều chỉnh thời gian tương ứng với vị trí của từng kênh trong khung Thời gian trễ tương ứng với một nửa chu kỳ của tín hiệu clock, dẫn đến tín hiệu ghép có tốc độ (NxB) Gbit/s Cuối cùng, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ khôi phục xung clock và tách riêng từng kênh quang tương ứng với đầu vào của bộ ghép.
Việc áp dụng các kỹ thuật trễ thời gian trong quá trình ghép có thể thực hiện đơn giản trong miền quang Luồng bit được điều chế trong nhánh thứ n sẽ bị trễ theo công thức (n-1)/(NB), với n = 1, 2, N, và tất cả các đầu ra của các nhánh sẽ được ghép lại để tạo thành một tín hiệu hỗn hợp Điều này cho thấy rằng luồng bit đã ghép có khoảng bit là TB = (NB) -1, ngoại trừ các bộ điều chế yêu cầu.
Chia quang Điều chế Điều chế Điều chế Điều chế Tín hiệu
LiNbO 3 hay các ống dẫn sóng bán dẫn) có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các sợi đơn mode Việc tách và ghép tín hiệu trong N nhánh có thể thực hiện bằng các bộ ghép sợi chuyển mạch 1×N đã được thương mại hóa Sự trễ quang có thể thực hiện bằng cách sử dụng các đoạn sợi có chiều dài có thể điều khiển được [1]
1.6.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM
Các hệ thống thông tin cáp sợi quang thường chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần truyền dẫn do nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp Để tối ưu hóa băng thông, người ta ghép các luồng ánh sáng với bước sóng khác nhau và truyền qua một sợi quang Điều này cho phép truyền tải dung lượng lớn từ nhiều nguồn phát quang khác nhau Tại phía thu, các tín hiệu quang riêng biệt có thể được tách biệt nhờ vào quá trình lọc các bước sóng khác nhau.
Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng giúp tăng dung lượng truyền dẫn quang mà không cần phải nâng cao tốc độ bit của đường truyền hay thêm sợi quang.
Trong quá trình ghép và giải ghép kênh WDM, hệ thống phát sử dụng các nguồn phát quang với các bước sóng khác nhau như 1, 2, 3,…, i, , N Các tín hiệu quang này được ghép vào cùng một sợi quang thông qua bộ ghép kênh quang, đảm bảo có suy hao nhỏ Sau khi ghép, tín hiệu quang được truyền đồng thời dọc theo sợi đến phía thu Tại đầu thu, các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng biệt sau khi qua bộ giải ghép kênh bước sóng.
Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày các nội dung tổng quát về lịch sử phát triển, nguyên lý
Bài viết này phân tích ưu và nhược điểm của phương pháp truyền dẫn cáp sợi quang so với các phương pháp khác, đồng thời giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật ghép kênh như ghép kênh phân chia theo thời gian (OTDM), ghép kênh phân chia theo tần số (OFDM) và ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) Mỗi phương pháp đều có những lợi ích và hạn chế riêng, nhưng việc kết hợp chúng có thể gia tăng dung lượng cho hệ thống Đặc biệt, đồ án sẽ tập trung nghiên cứu sâu về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM, được trình bày chi tiết trong chương 2.
