Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM 1.1 Tổng quan về thông tin sợi quang 1.1 Giới thiệu chung về thông tin sợi quang Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc.
Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là: Suy hao truyền dẫn nhỏ. Băng tần truyền dẫn rất lớn.
Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao. Có kích thước và trọng lượng nhỏ. Sợi có tính cách điện tốt.
4 Độ tin cậy cao. Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có. Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang được thể hiện trong hình 1. BỘ NỐI MỐI HÀN Tín hiệu Mạch điều Nguồn phát khiển Sợi dẫn quang BỘ CHIA Thu quang Mạch điện Phát quang Khôi phục Tín hiệu Khuếch đại Đầu thu quang quang Tín hiệu BỘ THU Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang [9] Các thành phần chính của tuyến gồm có 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 liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có 5 các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng.
Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến.
Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện.
Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên 6 tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến.
Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.
Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (như hình 1.
Suy hao sợi (dB/km) Phổ một nguồn sóng Hình 1.2: Phổ nguồn sáng [9] 7 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu quang Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu quang là suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến. - Suy hao: Gồm có suy hao trong bản thân sợi quang và suy hao do uốn cong sợi. Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong đó, suy hao do hấp thụ có liên quan đến vật liệu sợi gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan đến cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi.
Suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra. Suy hao sợi được đặc trưng bằng hệ số suy hao và được xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào Pin. Nếu gọi α là hệ số suy hao thì: dB 10 Pin log (1.1) km L Pout Hệ số suy hao sợi nhỏ nhất trong sợi quang SiO2 tính theo lý thuyết là α = 0,15 dB/km trên thực tế đã có sợi quang có α = 0,18dB/km tại λ = 1,55μm. Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi.
Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có hai loại uốn cong sợi là uốn cong vĩ mô và vi uốn cong. Uốn cong vĩ mô là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. Còn vi uốn cong là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên.
- Tán sắc: Làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra và gây nên méo tín hiệu. Tán sắc làm hạn chế đặc tính hệ thống đặc biệt là hạn chế tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Đối với sợi đa mode thì bao gồm tán sắc bên trong mode (gồm tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng) và tán sắc giữa các mode. 8 Đối với sợi đơn mode thì gồm tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng, tán sắc bậc cao và tán sắc phân cực mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode nào.