Nghiên Cứu Về Truyền Dẫn Sợi Quang và Kỹ Thuật Ghép Kênh SDH

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Truyền dẫn sợi quang và kỹ thuật ghép kênh sdh, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Đề tài: Nghiên Cứu Về Truyền Dẫn Sợi Quang và Kỹ Thuật Ghép Kênh SDH

Tóm tắt

I. Khám phá tổng quan truyền dẫn sợi quang và kỹ thuật SDH

Nền tảng của viễn thông hiện đại được xây dựng trên hai trụ cột chính: môi trường truyền dẫn và phương thức tổ chức dữ liệu. Trong đó, nghiên cứu về truyền dẫn sợi quang và kỹ thuật ghép kênh SDH đóng vai trò xương sống cho các mạng lưới đường trục quốc gia và quốc tế. Sợi quang, với ưu điểm vượt trội về băng thông và suy hao thấp, đã trở thành môi trường truyền dẫn lý tưởng, thay thế cho cáp đồng truyền thống. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả tiềm năng khổng lồ này, cần một cơ chế ghép kênh tiên tiến. Kỹ thuật phân cấp số đồng bộ (SDH) ra đời như một giải pháp chuẩn hóa toàn cầu, cho phép kết hợp và quản lý nhiều luồng dữ liệu khác nhau trên một sợi quang duy nhất. Sự kết hợp giữa hệ thống thông tin quang và SDH đã tạo ra một cuộc cách mạng, cho phép truyền tải dữ liệu dung lượng lớn qua khoảng cách hàng nghìn kilomet một cách tin cậy. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các nguyên lý cơ bản của sợi quang, phân tích cấu trúc và hoạt động của SDH, từ đó làm rõ mối quan hệ cộng sinh đã định hình nên mạng viễn thông toàn cầu ngày nay. Hiểu rõ bản chất của công nghệ này là bước đầu tiên để tiếp cận các công nghệ kế thừa như OTN (Optical Transport Network).

1.1. Nguyên lý cốt lõi của một hệ thống thông tin quang

Một hệ thống thông tin quang cơ bản bao gồm ba thành phần chính: bộ phát quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang, và bộ thu quang. Bộ phát quang, thường là Diode phát quang (LED) hoặc Laser Diode (LD), có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành các xung ánh sáng. Tín hiệu quang này sau đó được truyền đi trong lõi của sợi quang dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần. Như nghiên cứu của Kao và Hockman năm 1966 đã chỉ ra, việc giảm thiểu tạp chất trong thủy tinh là chìa khóa để giảm suy hao tín hiệu quang. Tại đầu thu, bộ thu quang (sử dụng Photodiode như PIN hoặc APD) sẽ thực hiện quá trình ngược lại, chuyển đổi các xung ánh sáng trở lại thành tín hiệu điện để xử lý. Các hệ thống hiện đại còn tích hợp thêm bộ khuếch đại quang EDFA để tái tạo tín hiệu trên các tuyến đường dài mà không cần chuyển đổi quang-điện-quang.

1.2. Giới thiệu về phân cấp số đồng bộ SDH và SONET

Kỹ thuật phân cấp số đồng bộ, hay Synchronous Digital Hierarchy (SDH), là một tiêu chuẩn quốc tế (ITU-T) để truyền tải các luồng thông tin số qua mạng quang. Trước SDH, hệ thống PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) tồn tại nhiều bất cập do thiếu tính đồng bộ, gây khó khăn trong việc xen/rẽ các luồng dữ liệu cấp thấp. SDH giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra một cấu trúc khung đồng bộ, với đơn vị cơ bản là Module truyền tải đồng bộ cấp 1 (STM-1). Mọi luồng dữ liệu, bất kể tốc độ, đều được ánh xạ vào các 'container' ảo (virtual container - VC) bên trong khung STM-1. SONET (Synchronous Optical Networking) là một tiêu chuẩn tương tự được phát triển ở Bắc Mỹ và là tiền đề cho SDH. Cả hai đều chia sẻ chung một kiến trúc, giúp tạo ra một mạng lưới viễn thông toàn cầu liền mạch.

II. Giải mã thách thức của hệ thống ghép kênh cận đồng bộ

Trước khi SDH trở thành tiêu chuẩn, ngành viễn thông phụ thuộc vào hệ thống ghép kênh cận đồng bộ (PDH). Mặc dù đã phục vụ tốt trong giai đoạn đầu của kỹ thuật số, PDH bộc lộ nhiều hạn chế cố hữu khi nhu cầu về băng thông và tính linh hoạt của mạng tăng cao. Vấn đề lớn nhất của PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) nằm ở chính tên gọi của nó – 'cận đồng bộ'. Các luồng tín hiệu đầu vào không hoàn toàn đồng bộ với nhau, chúng có sai khác nhỏ về tốc độ bit. Để ghép các luồng này lại, PDH phải sử dụng kỹ thuật chèn bit (bit stuffing), làm cho cấu trúc luồng dữ liệu cấp cao trở nên phức tạp và không tường minh. Việc muốn truy xuất một luồng 2 Mbit/s từ một luồng 140 Mbit/s đòi hỏi phải thực hiện giải ghép kênh toàn bộ, qua nhiều cấp trung gian, rất tốn kém và không hiệu quả. Thêm vào đó, việc giám sát và quản lý chất lượng từng kênh riêng lẻ trong cấu trúc PDH là cực kỳ khó khăn, hạn chế khả năng vận hành và bảo trì mạng lõi viễn thông một cách chủ động.

2.1. Hạn chế cốt lõi của công nghệ PDH Plesiochronous

Hạn chế lớn nhất của PDH là sự thiếu đồng bộ. Mỗi thiết bị trong mạng hoạt động với một đồng hồ riêng, chỉ 'gần' đồng bộ với nhau. Điều này dẫn đến quy trình ghép/giải ghép kênh phức tạp. Ví dụ, để lấy ra một luồng E1 (2 Mbit/s) từ một luồng E4 (140 Mbit/s), hệ thống phải giải ghép từ 140 Mbit/s xuống 34, rồi từ 34 xuống 8, và cuối cùng từ 8 xuống 2 Mbit/s. Quy trình này đòi hỏi một chuỗi thiết bị gọi là 'back-to-back multiplexers', làm tăng chi phí, độ trễ và điểm có thể xảy ra lỗi. Hơn nữa, PDH có các tiêu chuẩn khác nhau giữa Bắc Mỹ (T-carrier), Châu Âu (E-carrier) và Nhật Bản, gây khó khăn cho việc kết nối mạng lưới toàn cầu.

2.2. Các yếu tố gây suy hao và tán sắc trong sợi quang

Bên cạnh thách thức về ghép kênh, môi trường truyền dẫn cũng có những vấn đề riêng. Suy hao tín hiệu quang là sự giảm cường độ ánh sáng khi lan truyền trong sợi. Nguyên nhân chính bao gồm sự hấp thụ của vật liệu (do các ion OH- và liên kết nguyên tử) và tán xạ Rayleigh (do sự không đồng nhất vi mô trong cấu trúc thủy tinh). Một thách thức khác là tán sắc, hiện tượng giãn xung tín hiệu gây giao thoa giữa các bit. Tán sắc bao gồm tán sắc mode (trong sợi quang đa mode - MMF) và tán sắc sắc thể (trong sợi quang đơn mode - SMF). Tán sắc sắc thể xảy ra do các bước sóng khác nhau của nguồn sáng lan truyền với tốc độ khác nhau. Những yếu tố này giới hạn khoảng cách truyền dẫn và tốc độ bit tối đa của hệ thống, đòi hỏi các giải pháp bù trừ phức tạp.

III. Phân tích nguyên lý truyền dẫn và các loại sợi quang

Nền tảng của mọi hệ thống thông tin quang là khả năng dẫn truyền ánh sáng hiệu quả bên trong sợi quang. Nguyên lý cơ bản đằng sau hiện tượng này là phản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc. Để điều này xảy ra, chiết suất của lõi phải cao hơn chiết suất của lớp vỏ. Một xung ánh sáng đi vào sợi quang trong một góc nhất định (gọi là khẩu độ số - NA) sẽ bị 'bẫy' lại bên trong lõi và lan truyền đi xa hàng trăm kilomet với mức suy hao rất thấp. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, sự phát triển của công nghệ chế tạo đã cho phép sản xuất sợi quang với suy hao gần với giới hạn lý thuyết, đặc biệt ở các cửa sổ bước sóng 1310nm và 1550nm. Việc lựa chọn loại sợi quang phù hợp, như sợi quang đơn mode (SMF) cho đường dài hay sợi quang đa mode (MMF) cho khoảng cách ngắn, là một quyết định quan trọng trong thiết kế mạng, ảnh hưởng trực tiếp đến băng thông và chi phí triển khai.

3.1. Phân loại sợi quang đơn mode SMF và đa mode MMF

Sợi quang được phân thành hai loại chính dựa trên số lượng mode (đường đi) của ánh sáng mà nó có thể truyền dẫn. Sợi quang đa mode (MMF) có đường kính lõi lớn (50 hoặc 62.5 micromet), cho phép nhiều mode ánh sáng lan truyền đồng thời. Điều này giúp việc kết nối dễ dàng và sử dụng nguồn phát rẻ tiền hơn (như LED), nhưng lại bị giới hạn bởi hiện tượng tán sắc mode, làm giảm băng thông và khoảng cách truyền dẫn (thường dưới 2 km). Ngược lại, sợi quang đơn mode (SMF) có đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 9 micromet), chỉ cho phép một mode ánh sáng duy nhất lan truyền. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn tán sắc mode, cho phép băng thông cực lớn và khoảng cách truyền dẫn hàng nghìn kilomet, là lựa chọn bắt buộc cho các mạng truyền dẫn quang đường trục.

3.2. Vai trò của bộ phát thu và bộ khuếch đại quang EDFA

Để tạo thành một tuyến truyền dẫn hoàn chỉnh, sợi quang cần các linh kiện phụ trợ. Bộ phát quang (Laser Diode) phát ra các xung ánh sáng có bước sóng chính xác và công suất cao, phù hợp cho sợi SMF. Bộ thu quang (Photodiode) ở đầu cuối có độ nhạy cao để phát hiện các tín hiệu quang yếu. Đối với các tuyến đường dài, bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) đóng vai trò sống còn. EDFA khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp trong sợi mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu điện. Công nghệ này cho phép khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, là tiền đề quan trọng cho kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), giúp tăng dung lượng truyền dẫn lên nhiều lần trên cùng một sợi quang.

IV. Hướng dẫn chi tiết kỹ thuật ghép kênh đồng bộ số SDH

Kỹ thuật ghép kênh SDH là một phương pháp có cấu trúc và phân cấp rõ ràng để đóng gói và vận chuyển các loại lưu lượng khác nhau. Cốt lõi của SDH là cấu trúc khung đồng bộ, với đơn vị cơ bản là STM-1 (Synchronous Transport Module level 1), có tốc độ 155.52 Mbit/s. Tất cả các luồng dữ liệu cấp thấp hơn (ví dụ luồng E1 2.048 Mbit/s) đều được ánh xạ vào các khối dữ liệu được tiêu chuẩn hóa gọi là Virtual Container (VC). Quá trình ánh xạ này bao gồm ba bước: ánh xạ (mapping), căn chỉnh (aligning) và đa hợp (multiplexing). Điểm ưu việt của SDH so với PDH là khả năng truy cập trực tiếp vào các luồng cấp thấp mà không cần giải ghép toàn bộ luồng cấp cao. Điều này được thực hiện nhờ một cơ chế thông minh gọi là con trỏ, giúp xác định vị trí bắt đầu của VC bên trong khung STM. Nhờ vậy, việc xen/rẽ (Add/Drop) lưu lượng tại các node mạng trở nên đơn giản và hiệu quả.

4.1. Phân tích cấu trúc khung STM 1 và các mức STM N

Đơn vị cơ bản của SDH là cấu trúc khung STM-1. Khung này có dạng một ma trận 9 hàng x 270 cột byte, được truyền đi trong 125 micro giây. Khung STM-1 được chia thành hai phần chính: Phần mào đầu truyền tải (Section Overhead - SOH) và phần tải tin (payload). SOH chứa các byte dùng cho việc quản lý, giám sát, vận hành và bảo dưỡng mạng (OAM). Phần tải tin là nơi chứa các Virtual Container. Các cấp cao hơn như STM-4 (622 Mbit/s), STM-16 (2.5 Gbit/s) và STM-64 (10 Gbit/s) được tạo ra bằng cách ghép xen kẽ theo từng byte (byte interleaving) các khung STM-1. Ví dụ, một khung STM-4 được tạo thành từ 4 khung STM-1. Cấu trúc đồng bộ và phân cấp này đảm bảo tính tương thích và khả năng mở rộng của mạng.

4.2. Tìm hiểu về Virtual Container VC và cơ chế con trỏ

Để mang các luồng PDH vào mạng SDH, chúng được ánh xạ vào các Virtual Container (VC). Có nhiều loại VC khác nhau tương ứng với các luồng PDH khác nhau, ví dụ VC-12 cho luồng E1 (2 Mbit/s) hoặc VC-4 cho luồng E4 (140 Mbit/s). Điểm đột phá của SDH là cơ chế con trỏ (pointer). Con trỏ là một giá trị nằm trong phần mào đầu của đơn vị quản lý (Administrative Unit - AU), chỉ ra vị trí byte bắt đầu của VC trong vùng tải tin của khung STM. Do có sự trôi pha nhẹ (jitter và wander) giữa các thiết bị mạng, vị trí của VC có thể thay đổi một chút so với khung STM. Cơ chế con trỏ cho phép điều chỉnh động vị trí này mà không làm mất dữ liệu, đảm bảo tính linh hoạt và đồng bộ trên toàn mạng.

V. Ứng dụng thực tiễn của kiến trúc mạng truyền dẫn SDH

Nhờ tính linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng quản lý tập trung, kiến trúc mạng SDH đã được triển khai rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt trong các mạng đường trục (backbone) và mạng đô thị (MAN). Các phần tử mạng chính bao gồm: bộ ghép kênh đầu cuối (TM), bộ ghép kênh xen/rẽ (ADM), và bộ kết nối chéo số (DXC). Cấu trúc mạng phổ biến nhất là cấu trúc vòng (ring), mang lại khả năng tự phục hồi và bảo vệ lỗi vượt trội. Khi có sự cố đứt cáp hoặc hỏng thiết bị trên một nhánh của vòng, lưu lượng sẽ tự động được chuyển sang nhánh còn lại chỉ trong vòng 50ms, đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn. Khả năng quản lý mạng SDH thông qua các kênh mào đầu (overhead) cho phép nhà mạng giám sát hiệu năng, phát hiện lỗi và cấu hình từ xa, giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo dưỡng so với hệ thống PDH.

5.1. Các cấu trúc mạng SDH phổ biến Ring Mesh Point to Point

Kiến trúc mạng SDH rất đa dạng. Cấu trúc điểm-nối-điểm (Point-to-Point) là dạng đơn giản nhất, nối hai điểm đầu cuối. Tuy nhiên, cấu trúc vòng (Ring) mới là thế mạnh của SDH. Một vòng ADM (Add-Drop Multiplexer) cho phép các node trên vòng có thể xen hoặc rẽ các luồng lưu lượng một cách linh hoạt. Đặc biệt, cơ chế bảo vệ vòng chia sẻ MS-SPRing (Multiplex Section-Shared Protection Ring) sử dụng một nửa băng thông cho lưu lượng chính và một nửa cho bảo vệ, cung cấp khả năng phục hồi cực nhanh. Các mạng lớn hơn có thể kết nối nhiều vòng lại với nhau để tạo thành cấu trúc lưới (Mesh), tăng cường độ tin cậy và khả năng định tuyến lưu lượng.

5.2. Mô phỏng hệ thống SDH qua phần mềm Optisystem

Để nghiên cứu và đánh giá hiệu năng trước khi triển khai, các kỹ sư thường sử dụng công cụ mô phỏng Optisystem. Phần mềm này cho phép xây dựng một mô hình ảo của hệ thống truyền dẫn quang và SDH, từ bộ phát laser, sợi quang, bộ khuếch đại EDFA cho đến các bộ ghép kênh SDH. Người dùng có thể thiết lập các tham số như chiều dài sợi, độ suy hao, độ tán sắc, và tốc độ bit của khung STM-16. Sau khi chạy mô phỏng, Optisystem cung cấp các kết quả phân tích quan trọng như biểu đồ mắt (eye diagram), tỷ lệ lỗi bit (BER), và hệ số Q, giúp đánh giá chất lượng tín hiệu và tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

VI. Đánh giá tương lai của truyền dẫn quang và công nghệ SDH

Công nghệ SDH đã từng là đỉnh cao của mạng truyền dẫn, đóng vai trò nền tảng cho sự bùng nổ của Internet và viễn thông di động. Tuy nhiên, với sự phát triển vũ bão của lưu lượng dữ liệu dựa trên giao thức IP (Internet Protocol), kiến trúc TDM cứng nhắc của SDH dần bộc lộ những hạn chế về hiệu quả sử dụng băng thông. Các công nghệ kế thừa như OTN (Optical Transport Network) và các giải pháp dựa trên chuyển mạch gói (Packet Switching) đã ra đời để đáp ứng nhu cầu này. OTN, thường được gọi là 'SDH số', cung cấp một 'phong bì' kỹ thuật số linh hoạt hơn để vận chuyển nhiều loại lưu lượng, bao gồm cả Ethernet và SDH, với khả năng sửa lỗi tiền định (FEC) mạnh mẽ hơn. Mặc dù SDH không còn là công nghệ tiên phong, nó vẫn đang được sử dụng trong nhiều hệ thống kế thừa và đóng vai trò quan trọng trong lớp truy cập của mạng lõi viễn thông.

6.1. So sánh SDH với các công nghệ WDM DWDM và OTN

SDH là công nghệ ghép kênh theo thời gian (TDM), trong khi WDM (Ghép kênh phân chia theo bước sóng) và DWDM (Dense WDM) là công nghệ ghép kênh theo tần số/bước sóng. WDM cho phép truyền đồng thời hàng chục, thậm chí hàng trăm luồng tín hiệu (mỗi luồng có thể là một tín hiệu SDH STM-64) trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng các màu sắc (bước sóng) ánh sáng khác nhau. OTN (Optical Transport Network) là sự kết hợp ưu điểm của cả hai. Nó định nghĩa một cấu trúc khung tương tự SDH nhưng linh hoạt hơn (gọi là OTU - Optical Transport Unit) để đóng gói bất kỳ loại lưu lượng nào, và được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên nền tảng DWDM. OTN được xem là công nghệ thay thế tự nhiên cho SDH trong các mạng đường trục hiện đại.

6.2. Xu hướng chuyển dịch và vị trí của SDH trong mạng hiện đại

Xu hướng hiện nay là chuyển dịch từ các mạng TDM thuần túy sang các mạng hội tụ gói-quang (Packet-Optical Converged Networks). Trong kiến trúc này, lưu lượng IP/Ethernet được ưu tiên và truyền tải hiệu quả hơn. SDH không biến mất hoàn toàn mà được 'đóng gói' để truyền tải qua các mạng thế hệ mới như OTN hoặc MPLS-TP. Vai trò của SDH dần thu hẹp lại, chủ yếu phục vụ các dịch vụ thoại TDM truyền thống, các đường thuê kênh riêng (leased line) yêu cầu độ trễ ổn định, hoặc trong các mạng di động 2G/3G. Đối với các mạng lõi viễn thông mới, OTN kết hợp với DWDM đã trở thành lựa chọn hàng đầu, mang lại dung lượng khổng lồ và sự linh hoạt cần thiết cho kỷ nguyên số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu đến chương 8, nằm toàn bộ trong phần I của quyển luận văn. phân II tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh đồng bộ SDH CHUONG 1 : SOI QUANG VA CAP SGI QUANG L__C0. Phổ sóng điện từ : Các bức xạ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.

Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số khác nhau như : - Tân số : ký hiệu f(Hz) - Bước sóng : ký hiệu A(m) - Nang lượng photon : ký hiệu E(electron. Các thông số trên được sử dụng phổ biến trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các công thức sau : Vận tốc của ánh sáng được tính theo công thức sau : Cứn1z)= Ä(m)x ƒ(Hz) q0) Nẵng lượng photon : E(eV)=ix/=*= (1. - Phổ của sóng điện từ phân chia theo hai thông số thông dụng là tần số và bước sóng như trên hình 1.1 - Anh sáng thấy được chỉ chiếm một vùng hẹp trên thang sóng điện từ với bước sóng từ 380nm(tfm)+780nm(đỏ). - Anh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại (near- infrared) với bước sóng từ 800nm+1600nm, Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng Ja 850nm, 1300nm va 1550nm.

i&DVENBINSðTGHiNGIUUNGG Hình 1.1 : Phổ sóng điện từ f a Dong mét chiéu(DC) to oj Dong xoay chiéu(AC) —L Ikhz. Sóng cực đài (VLF) | + 10khz 10km |_ Sống đài(LF) —100khz km Sóng trung(MF) TƑ IMhz 100nr† 1,6um TT” ——Ạ Sóng ngẩn(HH) _|_ T0Mhz I550nm \ 10m-+ 1,5 ánh Sông viêu cao(VHI) I00Mh⁄ sáng i | ini] 1a ding trong — IGhz Jd] 13 _|1300am | thông Viba | tin (UHE, VHB, BEE) | quang TT 105nz lem] 12. | 10/82 Imm 1 ~} ithz 100un] IumƑˆ 'Vùng hồng ngoại (infrared) —E10mz | 10um] 900nm | ~Ƒ-850nm 800am | y đồ “h0 Hz 100nm-|- 700nm—— 'Vùng cực tim cam | ánh (Ultrviolet) —L 10"Hz sáng 10nmrƑ— 600nnr[ vàng | thay được. ~E10”Hz Inm|_ 300nm| Ta X TT-10%Hz 20a 400nm_|_tim__¥ _[1o"Hz 10pm+- Tia Gamma -L10"Hz gã §iãNBẶặRHH[H [ERUðNGII 2.

Su phẩn xa toàn phần : Từ công thức Snell ta có : - Nếu nụ < nạ thì 0;< 6) : tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến. - Nếu nị > nạ thì 6; > 6 : tia phúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến. Trường hợp nị > nạ, nếu tăng 0; thì 6; cũng tăng và 0; luôn lớn hơn Ô¡. Khi 0;= 902, tức tỉa khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì С được gọi là góc tới hạn 6,.

Nếu tiếp tuyến tăng 6; > 6, thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phần xạ. Hiện tượng này gọi là sự phần xạ toần phan.2 : Phản xa toàn phần (tia 1). Dựa vào công thức Snel] với @2 =90°, ta CÓ : n; sin®.3) suy ra: { sin8, = nz/n; (1. Giao thoa của ánh sáng : - Sóng ánh sáng là một sóng điện từ dao động vuông góc với phương truyền sóng của nó.

-_ Mặt đẳng pha : là tập hợp các điểm có cùng cường độ điện trường, tại cùng thời điểm. -_ Hiện tượng sóng này chồng lên sóng kia gọi là sự giao thoa. -_ Sự giao thoa tạo ra sóng có biên độ lớn là bội số nguyên lần của nửa bước sóng. Sóng sinh ra này gọi là sóng đứng có độ dài của nửa bước sóng hay toàn sóng (toàn chu kỳ) bằng với độ dài của 2 biên tạo ra nó.

Sự kết hợp của ánh sáng : Laser Diode tạo nên các nguồn sáng cùng pha nhân tạo bởi vì sự phát xạ ánh sáng cưỡng bức của các nguyên tử xảy ra ở cùng một pha. Ánh sáng mà có sóng cùng pha với một sóng khác theo mặt phẳng thẳng đứng với phương truyền sóng của chúng được gọi là ánh sáng kết hợp không gian. Trong thông tin sợi quang, ánh sáng của Laser là ánh sáng kết hợp không gian đóng vai trò là nguồn sáng rất quan trọng bởi vì sợi quang truyền tải tín hiệu trên một mode truyền dẫn trong lõi chịu ảnh hưởng của giao thoa. Anh sáng được đưa vào sợi quang từ linh kiện phát quang có xu hướng tỏa ra xung quanh (sự nhiễu xạ tia sáng) làm giảm hiệu suất đưa vào sợi.

Ánh sáng kết hợp không gian có thể được tập trung bằng cách dùng một thấu kính, điều này rất phù hợp với việc đưa ánh sáng vào sợi quang có đường kính lõi rất nhỏ cỡ khoảng vài jưn. Ngoài ra để nàng cao tính kết hợp của ánh sáng có một yếu tố khác nữa là "bước sóng duy nị ấU", Một ánh sáng liên tục có bước sóng đơn được coi là "kết hịp trong miền thời gian ”, Ảnh sáng có tính kết hợp cả miễn thời gian và không gian gọi là ánh sáng Laser, loại ánh sáng này không có trong tự nhiên, Trong tương lai chúng ta nang được tính kết hợp về thời gian lên thì lúc đó công nghệ thông tin quang sẽ sử dụng biến đổi pha của ánh sáng thay vì sử dụng kha nang biến đổi cường độ như hiện nay, lúc đó công nghệ truyền dẫn đạt được dung lượng cực lớn trong tương lai. Cấu tao sơi quang : (hình 1.4) Lớp vỏ bảo vệ lớp phủ vn Lỗi sợi quang Hình4 ; cấu trúc mặt cất sợi quan) #MDWðSB ANG. Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền ánh sáng thấy được và các tia hông ngoại, có tác dụng giam giữ và truyền lan các sóng ánh sáng.

Đặc trưng của sợi như được trình bày ở hình 1.4 có cấu trúc như sau: - Lớp vỏ bảo vệ (secondary coating): Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. -_ Lớp phủ (Primary Coating): Có nhiệm vụ bảo vệ sợi quang tránh sự xâm. nhập của hơi nước và sự ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm giữa các sợi quang bên cạnh, gidm ảnh hưởng vi uốn cong. - Lép do (Cladding): bao quanh lõi có chiết suất hơi nhỏ hơn lõi để ánh sáng có thể phần xạ toàn phần.

- L6i (Core): Ở giữa sợi quang được làm bằng thủy tỉnh hay chất dẻo, có chiết suất nụ là nơi mà các photon ánh sáng được truyền từ đầu này sang đầu kia. ĐỂ ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của nó phái lớn hơn chiết suất của vỏ phản xạ một chút, 3. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sơi quang ; a) Nguyễn lý: Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm 2 lớp. Một là lớp lõi làm bằng thủy tính có chiết suất nị và một lớp vỏ bọc bằng thủy tỉnh có chiết suất n; với n; > nz.

Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phan xa toàn phần nhiều lân tại bể mặt biên giữa lõi và vỏ bọc. Do đó, ánh sáng có thể truyén dude trong sợi có khoảng cách rất dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với bán kính cong giới hạn do nhà sản xuất quy định. Điểm biên phản xạ toàn phần Hình 1.5 : Phản xa toàn phần b) Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) hay còn gọi là góc mở của sợi quang Sự phan xạ toàn phan chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn Ômax. Sin của góc tới hạn này gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA.6) TRUYÊN ĐẤN SƠIGUANG Hình 1,6 : Khẩu độ số NA và góc tới hạn - Áp dụng công thức Snell để tính NA: Kái điểm A, đối với Ủa số ]: ny SING aoe = 0).7) => sin„„x = nị,cos8, (1.8) ma : sinÐ, = nz⁄n; (1.9) nén NA= sn 8, = vn" —nhy en J2A (1.10) Trong đó : = HÀ “nạ — —— mm aL a DƯNG n a1) A : gọi là độ lệch chiết suất tương đối.

- Độ lệch chiết suất tương đối A có giá trị khoảng từ 0,002:0,013 (tức 0,2%+0,3%). Phân loại sợi quang: «_ Các yếu tố tác động đến sự phân loại sợi quang : - Sợi dẫn quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang. Sự lan truyền ổn định của ánh sáng dọc theo sợi được mô tả dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn được gọi là các mode trong sợi. Mỗi mode lan truyền là một mẫu các đường trường điện và từ trường được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng -_ Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thủy tỉnh có chiết suất hơi lớn hơn lớp vỏ.

Chiết suất của lớp vỏ không đổi, còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát sau : (1.12) trong đó: nụ : chiết suất lớn nhấtở lõi n; : chiết suất lớp v6 phan xa A : đó lệch chiết suất tương đối r: khodng cách từ trục sợi quang đến điểm tính chiết suất a : bán kính lõi sợi quang b: bán kính bọc & : số mũ quyết định dạng biến thiên, (g > 1). - Các giá tri thong dụng của “g”: = g=1 :dang tam gidc = g=2 : dang Parabol =" go : dang nhay bac nữ) a =2 go» i i | Hình 1.7 : Các dạng phân bố chiết suất PROVEN DAN SOI OUANG 7 * Bang ph4n loai sgi quang : Sgi quang thach anh Phân loại theo vật liệu điện môi | Sợi quang thủy tinh da vật liệu Sợi quang bằng nhựa Sợi quang ddn mode Phân loại theo mode truyền dẫn Soi quang da mode Sợi quang chiết suất bậc Phân loại theo phân bố chiết suất Sợi quang chiết suất biến đổi khúc xạ đều a. Sui quang đa mode có chiết suất nhảy bậc SI (Step — Index): Loai sdi quang này có phân bố chiết suất đổng đều trong lõi, lớp vỏ phản xạ có chiết suất hơi nhỏ hơn lõi để đảm bảo cho sự phần xạ toàn phần. Loại sợi này có độ suy hao và tán sắc modc rất lớn nên nó chỉ thích hợp cho các mạng LAN không cần chất lượng cao và tốc độ truyền dẫn lớn, Hình 1.8 : Sư truyền ánh sáng trong sơi quang có chiết suất nhảy bac.

Sợi quang đa mode có chiết suất biến đổi đều GI (Gradient Index): Loại sợi quang này có chỉ số chiết suất lớn nhất tại lõi, và chiết suất giảm dẫn từ tâm lõi đến mặt biên giữa lõi và vỏ. Sợi GI được thiết kế nhằm giảm ảnh hưởng của tán sắc mode, do chiết suất tỷ lệ nghịch với vận tốc truyền ánh sáng nên khi chiết suất gidm dan về hai phía thì tỉa sáng bị uốn cong và những tỉa càng xa trục có khoảng cách lan truyền lớn thì có tốc độ truyền càng lớn, tỉa truyền theo trục sợi quang có vận tốc nhỏ nhất. Do đó nó hạn chế được độ dãn xung do tán sắc mode, vì vậy sợi GI có thể giữ nhiều thông tin (vài GHz.