CHƯƠNG 1 phương pháp điều chế kết hợp này. Các phương pháp sửa lỗi hướng tới (Forward Error Correction – FEC) cũng được áp dụng rộng rãi nhằm giảm yêu cầu chất lượng đường truyền. Đến năm 2015, ITU -T nâng cấp tiêu chuẩn G.977 để chuẩn hóa các quy định cho hệ thống 100 Gb/s. Tổng dung lượng kênh truyền đạt đến 100 Tb/s và cũng là giới hạn hiện tại của hệ thống thông tin quang sử dụng WDM và điều chế kết hợp [13].
Hiện nay cuộc chạy đua trong việc tìm kiếm và ứng dụng một phương pháp ghép kênh mới vẫn đang diễn ra khốc liệt. Trong đó, nổi bật hơn cả là xu hướng thay đổi sợi quang có một lõi hiện nay bằng sợi quang đ a lõi (multi- core fiber) và sử dụng phương pháp ghép kênh theo không gian. Cho đến nay, công bố có BL cao nhất là 1,032 (Eb/s).km với tốc độ 344 Tb/s trên một bước sóng qua chiều dài 1500 km sử dụng sợi quang 12 lõi vào năm 2014 [14]. Công bố đạt tốc độ ca o nhất là 2.15 Pb/s qua chiều dài 31 km sợi quang 22 lõi vào năm 2015 [15].
Như vậy, qua 45 năm, dung lượng của một sợi quang đã tăng 1 0 tỷ lần.3 NỘI DUNG TÓM LƯỢC Về cơ bản, một hệ thống thông tin bất kỳ bao gồm năm yếu tố chính [3]: nguồn phát tín h iệu, điểm thu tín hiệu, môi trường truyền tín hiệu, thông điệp được truyền đi và giao t hức truyền. Theo mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở (Open Systems Interconnection Reference Model – OSI) [16], một hệ thống truyền thông tin được chia làm bảy lớ p. Trong đó, mỗi lớp thực hiện một chức năng riêng biệt chỉ yêu cầu giao tiếp trực tiếp với hai lớp liền kề phía trên và phía dưới nó. Các lớp từ thấp đến cao bao gồm: vật lý – liên kết dữ liệu – mạng – giao vận – phiên – trình diễn – ứng dụng (physical – data link – network – transport – session – presentation – application).
Hệ thống thông tin quang, về bản chất, là một hệ thống truyền thông tin sử dụng tín hiệu có bước sóng nằm trong vùng gần hồng ngoại. Do đó, về mặt phân chia nội dung, mỗi chương sẽ bám theo các yếu tố của một hệ thống thông tin cơ bản. Về môi trường truyền, ánh sáng có thể dùng để truyền tín hiệu qua dây dẫn hoặc không gian tự do. Tuy nhiên, do nội dung của cuốn sách này tập trung vào các hệ thống thông tin quang sử dụng dây dẫn nên chương hai chỉ trình bày chi tiết về các yếu tố của môi trường truyền cáp quang.
Các bộ phát thông dụng hiện nay là nguồn laser bán dẫn và LED, sẽ được trình bày trong chương ba. Các bộ thu thông dụng hiện nay là các diode quang bán dẫn, sẽ được trình bày t rong chương bốn. Trong chương năm, bộ thu, bộ phát và môi trường truyền sẽ được kết hợp lại thành một tuyến truyền điểm-điểm. Trong chương sáu, hệ thống truyền điểm -điểm này TỔNG QUAN 21 sẽ được mở rộng thành các cấu trúc mạng phức tạp hơn và phân chia thành hai loại là mạng truy cập dùng giao thức GPON và mạng diện rộng dùng giao thức SONET/ SDH và OTN.
Do điểm khác biệt của hệ thống thông tin bằng ánh sáng so với các hệ thống truyền tin bằng điện hoặc điện từ chủ yếu nằm ở các hiện tượng vật lý và thiết bị phần cứng, nội dung của các chương tập trung vào lớp vật lý là lớp thấp nhất của mô hình OSI. Các vấn đề ở những lớp cao hơn như mã hóa, đánh địa chỉ, giao thức v.v không được đề cập sâu. Phương pháp tiếp cận trong từng chương sử dụng các tính chất về vật lý quang học. Các lý thuyết về vật lý quang học có thể chia thành ba nhóm, trong đó nhóm sau có sự kế thừa và phát triển của nhóm trước.
Nhóm cơ bản nhất của vật lý quang học là quang hình học (geometrical optics), trong đó xem sự truyền dẫn ánh sáng là các tia. Các tia này được xem như truyền theo đường thẳng trong môi trường đồng nhất về chiết suất. Tại các biên giữa các môi trường không đồng nhất về chiết suất, tia sáng có thể bị phản xạ, khúc xạ hoặc hấp thụ. Tuy lý thuyết này không giải thích được các hiện tượng như tán xạ và giao thoa nhưng do đây là lý thuyết đơn giản và dễ hiểu nhất nên sẽ được sử dụng để liên hệ đến một số khái niệm về lan truyền ánh sáng trong sợi quang.
Nhóm lý thuyết nâng cao hơn xem sự truyền dẫn ánh sáng là các sóng điện từ và sử dụng lý thuyết về trường điện từ của Maxwell. Các sóng này bao gồm hai thành phần vuông góc là E và H lan truyền trong không gian tuân theo bốn định luật được miêu tả về mặt toán học trong hệ phương trình Maxwell. Lý thuyết này giải thích được các hiện tượng như tán xạ, giao thoa, sự hình thành các mode truyền sóng trong ống dẫn sóng hình trụ , tức sợi quang, và trong ống dẫn sóng chữ nhật, tức hốc cộng hưởng của nguồn laser. Cuối cùng, sự chuyển đổi năng lượng quang điện được giải thích bằng lý thuyết quang lượng tử, trong đó xem sự truyền dẫn ánh sáng là sự chuyển dịch của tập hợp các hạt mang năng lượng gọi là photon.
Các hạt photon này tương tác về mặt trao đổi năng lượng với các hạt khác trong môi trường mà nó đi qua. Lý thuyết này giải thích được các hiện tượn g cần thiết cho quá trình chuyển đổi quang điện và điện quang xảy ra ở nguồn phát và bộ thu nói riêng, đồng thời cho tương tác quang điện ở tất cả các thiết bị quang tích cực khác như bộ điều chế ánh sáng và bộ khuếch đại ánh sáng nói chung. 22 CHƯƠNG 2 Chương 2 SỢI QUANG 2.1 SỰ GIAM CẦM QUANG HỌC Về mặt khái niệm, sự giam cầm quang học nghĩa là s ự tập trung ánh sáng vào những vùng không gian xác định trước. Đối với một môi trường bất kỳ, chiết suất của môi trường n được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng c trong chân không và tốc độ ánh sáng v trong môi trường đó: c n (2.1) v Việc hạn chế không để ánh sáng truyền ra khỏi một khu vực cụ thể dựa trên hiện tượng phản x ạ toàn phần.
Theo quang hình học, khi một tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2, tại mặt phân cách giữa hai môi trường tia sáng sẽ tuân theo định luật Snell: n1 sin 1 n2 sin 2 (2.2) Trong đó, góc θ1 và θ2 lần lượt là góc tới và góc khúc xạ tại mặt phân cách như thể hiện trong Hình 2. Nếu n1 > n2, phương trình (2. Khi θ2 đạt giá trị π/2, θ1 đạt giá trị n 1 c sin 1 2 (2.3) n1 Giá trị này gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần. Nếu θ1 lớn hơn góc θc, tia sáng chiếu tới sẽ bị phản xạ hoàn toàn và truyền đi trong môi trường có chiết suất n1.
Như vậy, điều kiện tạo nên sự giam cầm ánh sáng là: (i) ánh sáng truyền đi trong môi trường có chiết suất lớn hơn môi trường xung quanh và (ii) góc tới mặt phân cách hai môi trường của tia sáng lớn hơn góc giới hạn phản xạ toàn phần. SỢI QUANG 23 Hình 2.1: Tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau Sợi quang dựa vào nguyên lý trên để lan truyền ánh sáng theo một hướng định trước. Cấu tạo cơ bản của sợi quang bao g ồm hai thành phần như trong Hình 2. Để thỏa mãn điều kiện thứ nhất, c hiết suất của lõi luôn lớn hơn cladding.
Để thỏa mãn điều kiện thứ hai, các tia sáng chiếu vào đầu sợi quang cần nằm trong một hình nón với góc mở θa tính toán như sau: Tại mặt phân cách giữa không khí và đầu vào của sợi quang : 1sin a n1 sin c n1 sin c n1 cos c (2.4) 2 Tại mặt phân cách giữa lõi và cladding: n1 sin c n2 sin 2 2 n2 cos c 1 (2.5) cos 1 sin 2 n1 c c Từ (2.5), góc mở của hình n ón được tính theo: 2 n a arcsin n1 1 2 arcsin n12 n22 arcsin NA (2.6) n1 Trong đó n1 và n2 lần lượt là chiết suất của l õi và cladding. Thông số NA được gọi là khẩu độ số (numerical aperture – NA) của sợi quang và là một trong các thông số kỹ thuật cơ bản được cung cấp khi lựa chọn sợi quang. Một thông số kỹ thuật cơ bản khác có liên quan đến NA là mức độ thay đổi chiết suất (fractional refractive-index change) Δ. Hai thông số này giúp xác định được góc tập trung ánh sáng vào sợi quang cũng như giá trị n1 và n2 của sợi quang.
24 CHƯƠNG 2 NA n12 n22 n12 n22 n1 n2 (2.2: Cấu trúc cơ bản của sợi quang 2.2 SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG Sợi quang có thể được xem như một ống d ẫn sóng hình trụ. Môi trường lan truyền sóng là điện môi không có từ tính. Do đó, độ từ thẩm tương đối μ = μ0 và độ điện thẩm tương đối ε = ε0n2. Tín hiệu ánh sáng được xem như sóng điện từ.
Lý thuyết về điện từ của Maxwell được áp dụng để phân tích một cách toàn diện quá trình lan truyền sóng trong sợi quang. Sợi quang thực tế được sử dụng phổ biến hiện nay được tạo thành từ thủy tinh (SiO2) có độ tinh khiết cao. Chiết suất của lõi nằm trong khoảng 1,44 đến 1,46 được tạo thành bằng cách pha thêm tạp chất GeO2 vào SiO2 và chiết suất của cladding là SiO2 ít hơn một chút. Giá trị đường kính lõi và đường kính cladding thực tế thông thường là 8/125, 50/125, 62,5/125, 85/125 và 100/140 (đơn vị tính theo micromet).
Trong phân tích sau, sợi quang được xem như có c ấu trúc đơn giản, trong đó lõi có bán kính là a với chiết suất như nhau và bằng n1, lớp cladding bao quanh lõi có chiết suất như nhau và bằng n2. Bán kính lớp cladding là rất lớn so với bán kính lõi.