Tìm Hiểu Hệ Thống Thông Tin Quang Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

• Đề tài: Tìm Hiểu Hệ Thống Thông Tin Quang

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
• 1.1. Định luật cơ bản của ánh sáng
• 1.2. Cấu trúc sợi quang và quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang
• 1.3. Phân loại sợi quang
• 1.4. Suy hao sợi quang
• 1.5. Hệ thống thông tin quang
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN QUANG
• 2.1. Cơ chế phát sáng
• 2.2. Diode phát quang LED: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
• 2.3. Đặc tính kỹ thuật
• 2.4. Diode Laser LD: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.5. Đặc tính kỹ thuật
• 2.6. Nhiễu trong nguồn phát
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN
• 3.1. Bộ tách sóng quang: Bộ tách sóng Photodiode PIN, Diode thác lũ APD
• 3.2. Tạp âm của bộ tách sóng
• 3.3. Mô hình của bộ thu quang
• 3.4. Bộ tiền khuếch đại
• 3.5. Mạch tách xung clock, mạch cân bằng và mạch qu
• 3.6. Nhiễu khi thu quang, hàm xác suất lỗi
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KẾT HỢP
• 4.1. Hệ thống thông tin quang kết hợp
• 4.2. Mô hình hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 4.3. Đánh giá hệ thống quang kết hợp
• 4.4. Bộ thu Homodyne và Heterodyne
• 4.5. Điều chế phát trong hệ thống quang kết hợp
• 4.6. Các dạng điều chế, điều chế ngoài, điều khiển phân cực
• 4.7. Yêu cầu về trạng thái phân cực trong thông tin quang kết hợp
• 4.8. Các phương pháp điều khiển phân cực
• 4.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống quang kết hợp
• 5. CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG
• 5.1. Ghép kênh quang theo bước sóng WDM
• 5.2. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang
• 5.3. Các tham số cơ bản, các thiết bị ghép bước sóng quang WDM
• 5.4. Đánh giá hệ thống ghép kênh WDM
• 5.5. Ghép kênh theo tần số OFDM
• 5.6. Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo tần số
• 5.7. Các công nghệ ban đầu của ghép kênh OFDM
• 5.8. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM
• 5.9. Nguyên lý phép kênh OTDM
• 5.10. Giải ghép và xen kẽ kênh
• 5.11. Đồng bộ quang trong hệ thống
• 5.12. Kỹ thuật phát xung quang tốc độ cao
• 5.13. Đánh giá hệ thống ghép kênh OTDM
• 6. CHƯƠNG 6: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG
• 6.1. Khuếch đại laser ban đầu SI
• 6.2. Đặc điểm và phân loại
• 6.3. Các đặc tính của SLA
• 6.4. Khuếch đại quang sợi
• 6.5. Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý làm việc của EDFA
• 6.6. Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA
• 6.7. Vai trò và ứng dụng của bộ khuếch đại quang
• 7. CHƯƠNG 7: KỸ THUẬT SDH TRONG THÔNG TIN QUANG
• 7.1. Giới thiệu chung về PDH và SDH
• 7.2. Giới thiệu chung về bộ ghép PCM - N
• 7.3. Giới thiệu về phân cấp số cận đồng bộ PDH
• 7.4. Giới thiệu về ghép kênh đồng bộ SDH
• 7.5. Cấu trúc khung giao tiếp trong SDH
• 7.6. Giao tiếp với SDH, các khối chức năng cơ bản của STM-1
• 7.7. Đơn vị luồng số TU, nhóm đơn vị luồng số TUG
• 7.8. Đơn vị quản lý AU, nhóm đơn vị quản lý AUG
• 7.9. Kích thước và tốc độ bit của các khi
• 7.10. Đánh giá hệ thống SDH
• 7.11. Ưu điểm của SDH so với PDH
• 7.12. So sánh SDH và PDH
• 7.13. Các thiết bị và cấu hình mạng bảo vệ trong SDH
• 7.14. Các vùng mạng trong SDH
• 7.15. Mạng vòng Ring SDH
• 8. CHƯƠNG 8: MẠNG THÔNG TIN QUANG
• 8.1. Bộ ghép định hướng, các thông số của bộ ghép định hướng
• 8.2. Các bộ ghép định hướng
• 8.3. Chuyển mạch quang, cấu trúc mạng phân phối
• 8.4. Mạng song công
• 8.5. Mạng vòng Ring
• 8.6. Hệ thống phân phối Hybrid
• 8.7. Các hệ thống truy nhập sợi quang
• 8.8. Các hình thức truy nhập sợi quang
• 9. CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
• 9.1. Lý thuyết tổng quát, quỹ thời gian của hệ thống
• 9.2. Quỹ công suất của hệ thống
• 9.3. Tính BER và độ nhạy thu
• 9.4. Mô hình thiết kế, chương trình và kết quả mô phỏng
• 9.5. Chương trình mô phỏng
• 9.6. Kết quả mô phỏng
• 10. CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 10.1. Hướng phát triển đề tài
• PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giải mã hệ thống thông tin quang Nền tảng cốt lõi

Hệ thống thông tin quang là một phương thức truyền thông tin sử dụng các xung ánh sáng lan truyền qua một sợi quang. Về cơ bản, hệ thống này bao gồm ba thành phần chính: thiết bị phát, môi trường truyền dẫn và thiết bị thu. Thiết bị phát chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, môi trường truyền dẫn là cáp quang dẫn ánh sáng đi xa, và thiết bị thu chuyển đổi tín hiệu quang trở lại thành tín hiệu điện. Luận văn tốt nghiệp “Tìm Hiểu Thông Tin Quang” (2002) đã khẳng định các ưu điểm vượt trội của hệ thống này, bao gồm: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng thông cực lớn, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và tính bảo mật cao. Nền tảng của truyền dẫn quang dựa trên các nguyên lý vật lý quang học, đặc biệt là hiện tượng phản xạ toàn phần, cho phép ánh sáng di chuyển hàng nghìn kilomet với sự suy giảm tối thiểu. Khả năng truyền tải một lượng dữ liệu khổng lồ với tốc độ cao đã biến viễn thông quang trở thành xương sống của mạng Internet toàn cầu, các trung tâm dữ liệu và mạng di động thế hệ mới.

1.1. Cấu trúc sợi quang và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

Một sợi quang tiêu chuẩn được cấu tạo từ ba lớp chính: lõi (core), lớp bọc (cladding) và lớp vỏ bảo vệ (coating). Lõi là phần trung tâm, làm bằng thủy tinh hoặc plastic siêu tinh khiết, có nhiệm vụ dẫn ánh sáng. Lớp bọc bao quanh lõi, cũng làm từ vật liệu tương tự nhưng có chiết suất (n₂) thấp hơn chiết suất của lõi (n₁). Sự chênh lệch chiết suất này là yếu tố then chốt cho nguyên lý hoạt động. Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang tuân theo hiện tượng phản xạ toàn phần. Khi một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất cao (lõi) sang môi trường có chiết suất thấp hơn (lớp bọc) với một góc tới lớn hơn góc tới hạn, toàn bộ tia sáng sẽ bị phản xạ ngược trở lại vào lõi. Quá trình này lặp đi lặp lại hàng tỷ lần, giúp tín hiệu quang được "nhốt" và lan truyền bên trong lõi sợi đi qua những khoảng cách rất xa.

1.2. Phân loại các loại sợi quang phổ biến hiện nay

Dựa trên số lượng mode (đường đi của ánh sáng) có thể lan truyền, sợi quang được phân thành hai loại chính: sợi quang đa mode (Multi-mode) và sợi quang đơn mode (Single-mode). Sợi đa mode có đường kính lõi lớn (thường là 50 hoặc 62.5 micromet), cho phép nhiều mode ánh sáng truyền đồng thời. Điều này giúp việc kết nối dễ dàng hơn và chi phí cho các bộ phát (như LED) thấp hơn. Tuy nhiên, do các mode có đường đi khác nhau, chúng đến đích ở các thời điểm khác nhau, gây ra hiện tượng tán sắc mode và giới hạn khoảng cách cũng như băng thông truyền dẫn. Ngược lại, sợi quang đơn mode có đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 9 micromet), chỉ cho phép một mode ánh sáng duy nhất lan truyền. Điều này loại bỏ hoàn toàn tán sắc mode, cho phép tín hiệu quang truyền đi xa hơn với băng thông lớn hơn rất nhiều, trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho các hệ thống viễn thông đường dài và tốc độ cao.

II. Bí quyết vượt qua thách thức suy hao và tán sắc tín hiệu quang

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, hiệu suất của một hệ thống thông tin quang vẫn bị giới hạn bởi hai yếu tố vật lý cơ bản: suy hao và tán sắc. Suy hao tín hiệu là sự suy giảm cường độ của ánh sáng khi nó lan truyền trong sợi quang, quyết định khoảng cách tối đa giữa các trạm lặp. Trong khi đó, tán sắc là hiện tượng giãn rộng xung ánh sáng theo thời gian, gây ra nhiễu giữa các ký tự và giới hạn tốc độ truyền dữ liệu (băng thông). Việc hiểu rõ và có giải pháp khắc phục hai thách thức này là yếu tố quyết định để thiết kế các mạng quang hiệu quả và tin cậy. Các công nghệ chế tạo sợi quang hiện đại tập trung vào việc giảm thiểu các tạp chất để hạn chế suy hao, đồng thời phát triển các loại sợi có cấu hình chiết suất đặc biệt để triệt tiêu tán sắc, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng Terabit mỗi giây trên một sợi quang duy nhất.

2.1. Các nguyên nhân chính gây suy hao tín hiệu quang

Suy hao tín hiệu (Attenuation) trong sợi quang chủ yếu đến từ ba nguyên nhân. Thứ nhất là suy hao do hấp thụ, xảy ra khi năng lượng photon bị vật liệu thủy tinh và các tạp chất (đặc biệt là ion OH⁻) hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt. Thứ hai là suy hao do tán xạ Rayleigh, gây ra bởi sự không đồng nhất về mật độ vật chất ở cấp độ vi mô trong cấu trúc thủy tinh, làm cho ánh sáng bị tán xạ theo nhiều hướng. Mức độ tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng, đó là lý do các hệ thống hiện đại thường hoạt động ở các cửa sổ bước sóng dài (1310nm và 1550nm) nơi suy hao thấp hơn. Cuối cùng là suy hao do uốn cong, bao gồm uốn cong vĩ mô (khi cáp bị bẻ cong quá mức cho phép) và vi uốn cong (những biến dạng nhỏ dọc theo trục sợi), khiến một phần ánh sáng thoát ra khỏi lõi.

2.2. Hiểu rõ về tán sắc và ảnh hưởng đến băng thông

Tán sắc (Dispersion) là hiện tượng các thành phần khác nhau của một xung ánh sáng di chuyển với vận tốc khác nhau, làm cho xung bị giãn rộng khi đến cuối đường truyền. Có ba loại tán sắc chính. Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi quang đa mode, do các mode ánh sáng có đường đi dài ngắn khác nhau. Tán sắc vật liệu (hay tán sắc màu) xảy ra do chiết suất của thủy tinh phụ thuộc vào bước sóng, khiến các màu sắc khác nhau trong một xung (ngay cả từ nguồn laser cũng có độ rộng phổ nhất định) di chuyển với tốc độ khác nhau. Cuối cùng, tán sắc dẫn sóng xuất hiện trong sợi quang đơn mode, do một phần năng lượng ánh sáng lan truyền trong lớp bọc có vận tốc khác với phần năng lượng trong lõi. Tán sắc tổng hợp sẽ giới hạn tốc độ bit tối đa có thể truyền đi, vì nếu xung giãn quá nhiều, chúng sẽ chồng lấn lên nhau, khiến bộ thu không thể phân biệt được bit '0' và '1'.

III. Cấu trúc hệ thống thông tin quang Từ phát đến thu tín hiệu

Một hệ thống thông tin quang hoàn chỉnh được tạo thành từ các khối chức năng rõ ràng, hoạt động phối hợp để truyền dữ liệu dưới dạng ánh sáng. Quá trình bắt đầu tại bộ phát quang, nơi tín hiệu điện tử (dữ liệu số) được điều chế thành các xung ánh sáng. Các xung này sau đó được ghép vào sợi quang và bắt đầu hành trình truyền dẫn. Dọc đường đi, nếu khoảng cách quá xa, tín hiệu quang có thể cần được tái tạo hoặc khuếch đại bởi các bộ lặp quang hoặc bộ khuếch đại quang. Tại điểm cuối, bộ thu quang sẽ tiếp nhận các xung ánh sáng yếu ớt, chuyển đổi chúng trở lại thành tín hiệu điện và giải mã để khôi phục dữ liệu gốc. Theo tài liệu "Tìm Hiểu Thông Tin Quang", chất lượng của toàn bộ hệ thống phụ thuộc mật thiết vào hiệu suất của từng thành phần, từ độ tinh khiết của nguồn phát, độ suy hao của sợi quang cho đến độ nhạy và khả năng xử lý nhiễu của bộ thu.

3.1. Phân tích bộ phát quang Transmitter LED và Laser

Bộ phát quang là trái tim của hệ thống, có nhiệm vụ chuyển đổi bit '0' và '1' thành trạng thái 'tắt' và 'bật' của ánh sáng. Hai loại linh kiện bán dẫn phổ biến được sử dụng là Diode phát quang (LED) và Diode Laser (LD). LED có chi phí thấp, tuổi thọ cao và mạch điều khiển đơn giản, nhưng công suất phát thấp, phổ ánh sáng rộng và tốc độ điều chế hạn chế. Chúng thường được dùng trong các hệ thống sợi quang đa mode cho khoảng cách ngắn. Ngược lại, Laser tạo ra chùm sáng kết hợp, có công suất cao, độ rộng phổ rất hẹp và có thể điều chế ở tốc độ cực cao (hàng chục Gb/s). Những đặc tính này làm cho Laser trở thành lựa chọn không thể thiếu cho các hệ thống sợi quang đơn mode đường dài và hiệu năng cao, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu công nghệ WDM.

3.2. Tìm hiểu bộ thu quang Receiver PIN và APD

Bộ thu quang có nhiệm vụ ngược lại với bộ phát: phát hiện các xung ánh sáng và chuyển chúng thành tín hiệu điện. Thành phần cốt lõi của bộ thu là một bộ tách sóng quang, thường là Photodiode PIN hoặc Photodiode thác lũ (APD). Diode PIN là loại phổ biến, có cấu trúc đơn giản, hoạt động ổn định và nhiễu thấp. Nó chuyển đổi mỗi photon ánh sáng tới thành một cặp điện tử-lỗ trống, tạo ra một dòng điện nhỏ tương ứng với tín hiệu quang. Diode APD phức tạp hơn, có khả năng khuếch đại nội tại. Mỗi photon tới không chỉ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống mà còn kích hoạt một hiệu ứng "thác lũ", tạo ra nhiều cặp hơn. Điều này giúp APD có độ nhạy cao hơn nhiều so với PIN, cho phép phát hiện các tín hiệu quang rất yếu, nhưng cũng đi kèm với nhiễu cao hơn và mạch điều khiển phức tạp hơn.

IV. Phương pháp tăng dung lượng mạng quang với công nghệ WDM

Để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng, việc chỉ truyền một tín hiệu trên một sợi quang là không hiệu quả. Giải pháp đột phá cho vấn đề này là công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing - Ghép kênh theo phân chia bước sóng). Kỹ thuật này hoạt động tương tự như cách các đài radio phát nhiều kênh trên các tần số khác nhau. Trong WDM, nhiều luồng dữ liệu độc lập được điều chế lên các sóng mang ánh sáng có bước sóng (màu sắc) khác nhau. Các tín hiệu quang này sau đó được một bộ ghép (Multiplexer) kết hợp lại và truyền đồng thời trên cùng một sợi quang duy nhất. Ở phía thu, một bộ giải ghép (Demultiplexer) sẽ tách các bước sóng này ra và đưa đến các bộ thu quang tương ứng. Công nghệ WDM cho phép nhân dung lượng của cáp quang lên hàng chục, thậm chí hàng trăm lần mà không cần lắp đặt thêm sợi mới, tạo ra một cuộc cách mạng trong viễn thông quang.

4.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Nguyên lý của ghép kênh theo bước sóng dựa trên khả năng của sợi quang có thể truyền dẫn một dải rộng các bước sóng ánh sáng với suy hao tín hiệu thấp. Mỗi kênh dữ liệu được gán cho một bước sóng cụ thể, hoạt động như một kênh truyền dẫn ảo độc lập. Ví dụ, kênh 1 có thể dùng bước sóng 1550.12 nm, kênh 2 dùng 1550.92 nm, v.v. Các bộ MUX/DEMUX hoạt động như những lăng kính hoặc bộ lọc quang học chính xác, có khả năng kết hợp các màu sắc khác nhau vào một chùm sáng chung và sau đó tách chúng ra ở đầu cuối. Điều kiện tiên quyết để WDM hoạt động hiệu quả là các nguồn laser phải có độ rộng phổ hẹp và tần số cực kỳ ổn định để tránh nhiễu xuyên kênh (crosstalk) - hiện tượng tín hiệu từ kênh này rò rỉ sang kênh lân cận.

4.2. So sánh công nghệ DWDM và các biến thể khác

Công nghệ WDM có nhiều biến thể, trong đó phổ biến nhất là CWDM (Coarse WDM) và DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). CWDM sử dụng khoảng cách kênh lớn (thường là 20 nm), cho phép sử dụng các linh kiện laser và bộ lọc kém chính xác hơn, giúp giảm chi phí hệ thống. Tuy nhiên, nó chỉ hỗ trợ một số lượng kênh hạn chế (thường tối đa 18 kênh). Ngược lại, DWDM sử dụng khoảng cách kênh rất nhỏ (thường là 0.8 nm hoặc 0.4 nm), cho phép "nhồi nhét" một số lượng kênh rất lớn (40, 80, 160 hoặc hơn) vào cùng một dải sóng. Điều này yêu cầu các linh kiện laser và bộ lọc có độ chính xác và ổn định cực cao, cùng với các bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại đồng đều nhiều bước sóng. DWDM là công nghệ nền tảng cho các mạng đường trục và hệ thống cáp quang xuyên biển hiện nay.