CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN QUANG Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh. Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi. Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet. Phần lớn những nhu cầu hiện nay liên quan đến việc truyền dữ liệu hơn là tiếng nói.
Số người sử dụng Internet ngày càng đông và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại. Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc. Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp. Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu trên.
Thông tin quang cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi rất thấp (10-12). Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt. Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau. Vì vậy, truyền thông quang được xem như là một kĩ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai.
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG Cấu trục mạng viễn thông hiện đại không ngừng phát triển. Những yếu tố như ứng dụng mới, định dạng thông tin mới và cách truyền đạt thông tin…khiến cho kiến trúc mạng luôn luôn thay đổi. Tuy nhiên, ta có thể khảo sát mạng một cách tổng quát nhất dựa trên những yếu tố cơ bản: công nghệ truyền dẫn, khoảng cách, ứng dụng…Như vậy, nhìn từ góc độ vật lý, kiến trúc mạng có thể được phân làm 3 lớp như Hình 1.1 Mạng đường dài Mạng truyền dẫn đường dài (long-haul network) là phần lõi của toàn thể kiến trúc mạng, kết nối nhiều mạng đô thị MAN (Metropolitan network) lại với nhau. Ứng dụng của mạng này là truyền tải.
Do vậy, vấn đề quan tâm nhất của mạng đường dài là băng thông. SVTH: Nguyễn Thế Anh Ngọc Trang 1 GVHD : Th.s Đặng Ngọc Khoa Kỹ Thuật WDM 1. Mạng truy nhập Mạng truy nhập (Access network) đứng về phía khách hàng và nằm ở biên của mạng đô thị MAN. Nó được đặc trưng bởi tính đa dạng giao thức, kiến trúc mạng và trải rộng trên nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau.
Mạng đô thị Mạng đô thị MAN đóng vai trò chuyển tiếp giữa mạng đường dài và mạng truy nhập. Nó có nhiều thuộc tính giống như mạng truy nhập (tính đa dạng giao thức và tốc độ kênh truyền). Để đảm bảo được chức năng chuyển tiếp, mạng MAN phải có khả năng đáp nhu cầu tăng băng thông truyền dẫn của mạng đường dài, mặt khác, nó cũng phải đáp ứng đòi hỏi yêu cầu gia tăng số lượng kết nối và kỹ thuật truy nhập không ngừng của mạng truy nhập.1: Toàn thể kiến trúc mạng 1. Định nghĩa Mạng là tổ hợp của các node được kết nối bởi các tuyến truyền dẫn (link).
Mạng quang với những ưu điểm vượt trội so với các mạng khác. Nó không những SVTH: Nguyễn Thế Anh Ngọc Trang 2 GVHD : Th.s Đặng Ngọc Khoa Kỹ Thuật WDM cung cấp băng thông lớn mà còn cung cấp một kiến trúc hạ tầng chung mà trên đó các loại dịch vụ khác nhau có thể được phân phối. Khi xem xét sự phát triển của mạng quang, có thể chia mạng quang thành hai thế hệ. • Thế hệ thứ nhất: chỉ dùng để truyền dẫn và cung cấp dung lượng.
Tất cả các chức năng chuyển mạch và các chức năng mạng thông minh khác đều thực hiện bằng điện tử. Ví dụ về mạng dành cho thế hệ này là SONET/SDH. • Thế hệ thứ hai: tất cả các chức năng chuyển mạch, định tuyến và các chức năng thông minh khác đều thực hiện ở lớp quang (optical layer). Trước khi xem xét mạng quang thế hệ mới này chúng ta hãy xem xét các kỹ thuật ghép kênh dùng để cung cấp băng thông cho các mạng này.
Sợi quang Sợi quang có nghĩa là “một sợi mảnh dẫn ánh sáng”, cấu tạo từ hai chất điện môi khác nhau (có thể là thuỷ tinh hoặc nhựa), trong đó phần cho ánh sáng truyền qua gọi là lõi, phần còn lại gọi là vỏ bao quanh lõi. Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng chỉ có thể truyền dẫn bên trong lõi nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiện tượng trên được tạo nên do cấu tạo của sợi quang có chiết suất vỏ nhỏ hơn lõi từ 0,2% đến 0,3%. Người ta nói sợi quang có đường kính cỡ như một sợi tóc của con người, thực ra nó có đường kính vỏ vào khoảng 0,1 mm.
Lõi dẫn ánh sáng của sợi có đường kính nhỏ hơn đường kính của vỏ nhiều lần, đường kính này cỡ khoảng một vài μm (1μm = 1 x 10-3 mm). So với bước sóng truyền tải, nó lớn hơn khoảng vài chục lần. Đường kính này được xác định tùy theo yêu cầu truyền dẫn và đặc tính cơ học. Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ và có đặc tính truyền dẫn tuyệt vời.
Qúa trình đưa ánh sáng vào sợi quang Ánh sáng phát ra từ nguồn quang bị khuếch tán do nhiễu xạ. Muốn đưa ánh sáng vào lõi của sợi quang cần phải tập trung ánh sáng bằng các thấu kính. Tuy nhiên, không phải tất cả ánh sáng được tập trung đều có thể đưa vào sợi quang mà chỉ một phần ánh sáng có góc tới nằm trong một góc tới giới hạn mới được ghép SVTH: Nguyễn Thế Anh Ngọc Trang 3 GVHD : Th.s Đặng Ngọc Khoa Kỹ Thuật WDM vào lõi sợi quang.2: Góc nhận của sợi quang Trình bày trên Hình 1.2, với phương pháp quang hình ta thấy tại điểm đưa ánh sáng vào sợi quang chia thành ba môi trường liền nhau có chiết suất khác nhau. Đó là môi trường không khí, lõi và vỏ sợi quang, có giá trị chiết suất lần lượt là n0, n1, n2 tương ứng.
Gọi θmax là góc mở đối với đối với tia số 2 có góc tới bằng góc tới giới hạn θC. Tại biên giới giữa không khí và lõi, lõi và vỏ, áp dụng định luật snell ta có được hai phương trình sau. sin θ max = n1 sin θ c n2 sin( 90 0 − θ c ) = cos θ c = n1 Thông thường trong thực tế do n1 > n2, góc mở lớn nhất được tính như sau: sin θ max = n12 − n22 = n1 2Δ Trong đó Δ = (n1-n2)/n1 gọi là độ lệch chiết suất tương đối. Trong lĩnh vực chuyên nghành quang, sinθmax được gọi là khẩu độ số NA, nó cho ta biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang.
Đây là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang. Ví dụ: với sợi quang có chiết suất khúc xạ tiêu biểu của lõi là n1 = 1,475 và vỏ n2 = 1,46 (khi đó độ lệch chiết suất tương đối Δ = 0,1%). SVTH: Nguyễn Thế Anh Ngọc Trang 4 GVHD : Th.s Đặng Ngọc Khoa Kỹ Thuật WDM Nếu biết được đường kính lõi và khẩu độ số NA của sợi quang thì xác định được lượng ánh sáng vào lõi. Đường kính của lõi càng lớn và NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép nối cao.
Các loại sợi quang Hiểu rõ những đặc tính của từng loại sơị quang giúp chúng ta hiểu rõ chúng được sử dụng vào những ứng dụng gì. Để vận hành một hệ thống sợi quang được hoàn hảo ta phải dựa trên sự hiểu biết về từng loại sợi quang được sử dụng, vì sao chúng được sử dụng. Về cơ bản có hai loại sợi quang: sợi đa mode (Multi Mode Fiber) và sợi đơn mode (Single Mode Fiber). Sợi đa mode thích hợp với khoảng cách truyền dẫn ngắn nên nó rất phù hợp với những ứng dụng trong mạng LAN.
Trái lại, sợi đơn mode thích hợp với những khoảng cách truyền dẫn xa hơn nên được sử dụng trong các hệ thống truyền hình quảng bá đa kênh (Multi Channel) và hệ thống điện thoại đường dài. Để hiểu kỹ hơn về từng loại sợi quang, sau đây chúng ta sẽ xem xét kỹ những đặc điểm của chúng. Sợi quang đa mode Từ “Multi Mode” đơn giản để chỉ số lượng mode hay số lượng tia sáng được truyền đồng thời trong sợi quang. Nguyên nhân của hiện tượng này là do những tia sáng với góc nhận khác nhau, đồng thời được ghép và lan truyền bên trong sợi quang.
Đường kính của sợi đa mode lớn hơn đường kính của sợi đơn mode, do vậy mà sợi đa mode cho phép nhiều mode hơn được ghép, cũng chính điều này mà sợi đa mode dễ dàng hơn trong việc ghép nối so với sợi đơn mode. Sợi đa mode được chia làm hai loại: sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI (Multi Mode Step-Index Fiber) và sợi đa mode chiết suất giảm dần GI (Multi Mode Graded-Index Fiber). Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI Hình 1.3 chỉ ra nguyên lý của hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng như thế nào trong sợi đa mode SI. SVTH: Nguyễn Thế Anh Ngọc Trang 5 GVHD : Th.s Đặng Ngọc Khoa Kỹ Thuật WDM Hình 1.3: Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc Do chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ mà tia sáng thứ 1 với góc tới bằng góc tới giới hạn sẽ bị phản xạ tại mặt biên giữa lõi và vỏ của sợi quang, quá trình này được lặp đi lặp lại và ánh sáng sẽ lan truyền dọc theo lõi bên trong sợi quang.
Trái lại, với tia sáng thứ 2 có góc tới nhỏ hơn góc tới giới hạn nên bị khúc xạ vào lớp vỏ và không được truyền đi. Tia sáng thứ 3 lan truyền tại phần trung tâm của lõi, do đó đường đi của nó ngắn hơn so với tia sáng thứ 1, khi đó hai tia sáng này sẽ tới đích với thời gian khác nhau. Sự khác biệt về thời gian giữa các tia sáng chính là yếu tố gây nên hiện tượng tán sắc (Dispersion) và làm cho phổ của tín hiệu bị dãn rộng ra tại đầu thu. Tuy nhiên cũng phải thấy rằng, tán xạ là điều không thể tránh khỏi trong sợi đa mode SI nói riêng và sợi quang nói chung.
Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần GI Từ “Graded-Index” mô tả chiết suất khúc xạ bên trong lõi giảm đều từ tâm lõi đến lớp vỏ sợi quang.4: Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần Như được biết, tốc độ ánh sáng tỷ lệ nghịch với chiết suất khúc xạ của môi trường.