1

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin

quang

Một hệ thống thông tin truyền dẫn thông tin từ một nơi này đến một nơi khác

cách nhau chỉ vài km tới hàng chục ngàn km. Thông tin thường được mang bởi một

sóng mang sóng điện từ mà tần số có thể biến đổi từ một vài MHz tới hàng trăm

THz. Các hệ thống thông tin quang sử dụng các tần số cao lên tới hàng trăm THz

trong vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ. Trong các hệ thống

thông tin quang thì các hệ thống quang sợi sử dụng sợi quang để truyền thông tin

chiếm chủ yếu. Các hệ thống này đã được sử dụng rộng rãi từ 1980 và đã tạo nên

cuộc cách mạng trong viễn thông. Và chính công nghệ quang sợi cùng với vi điện tử

đã mở ra kỷ nguyên công nghệ thông tin từ những năm 1990. Trong chương đầu

tiên của bài giảng này chúng tôi sẽ trìn bày một số khái niệm và kiến thức tổng quan

về hệ thống thông tin quang sợi. Các chương tiếp theo sau sẽ đi vào chi tiết từng

thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang.

1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang

Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con

người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa. Tuy

nhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chế

truyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cáp

đồng, viba số.Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự

tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin. Năng lực của một hệ thống

thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc

độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp. Việc ra đời các hệ thống

truyền dẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ

thống mạng viễn thông. Những phát triểncủa thông tin quang có được bắt nguồn từ

những nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm

1960 và chế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70. Trong đó

nổi bật phải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS. Charles K. Kao, người đã

2

đoạt giải Nobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo sợi quang dùng cho thông

tin quang.

Hình 1-1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách BL trong khoảng thời gian 1850 đến

2000. Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới.

Hình 1-2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện

sau năm 1980. Các đường chấm chỉ ra sự tăng trưởng theo dạng gần hàm mũ về tốc độ bit

ở cả hai hệ thống nghiên cứu và hệ thống thương mại.

Giai đoạn nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảng

năm 1975. Hình 1-2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin quang được

thực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển. Các sản phẩm hệ thống

thương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm.

Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đến

năm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt. Hình 1-3 cho thấy sự tăng về

Kết quả hệ thống

thương mại hóa

Kết quả

nghiên cứu

3

tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau.

Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm. Mỗi thế hệ, BL

tăng mạnh ở thời kỳ đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của

nó. Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hơn hiệu năng của

hệ thống.

Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0,8 µm và sử dụng

các nguồn laser bán dẫn GaAs. Các hệ thống này được thương mại hóa năm 1980

hoạt động tại tốc độ 45 Mb/s và cho phép khoảng cách lặp chỉ khoảng 10 km. Tuy

là thế hệ thông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều

so với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống thời đó.

Hình 1-3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thế hệ hệ thống

thông tin quang. Các ký hiệu khác nhau mô tả cho các thế hệ kế tiếp nhau.

Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạt

động tại vùng bước sóng gần 1,3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1 dB/km.

Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng

này. Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thu

bán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1,3 µm. Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quang

thứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kỷ 1980, nhưng tốc độ bít của các hệ thống

ban đầu bị giới hạn dưới 100 Mb/s vì tán sắc trong các sợi đa mode. Giới hạn này

được khắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng

trong các hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó. Vào năm 1987, các hệ thống thông

tin sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1,7 Gb/s với khoảng cách lặp

khoảng 50 km đã sẵn có cung cấp cho thương mại.

4

Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởi

suy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1,3 µm (điển hình 0,5 dB/km). Các suy

hao của các sợi quang nhỏ nhất ở gần 1,55 µm. Một mức suy hao cỡ 0,2 dB/km đã

thực hiện được trong vùng phổ này. Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang

thế hệ thứ ba hoạt động tại 1,55 µm bị chậm lại đáng kể bởi tán sắc lớn của sợi

quang gần 1,55 µm. Các laser bán dẫn InGaAsP thông thường đã không thể sử dụng

được vì sự trải rộng xung quang xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thời

của một vài mode phát xạ dọc từ laser. Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc

bằng các sợi dịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1,55 µm hoặc

bằng giới hạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn. Cả hai tiếp cận này đã

được thực hiện trong suốt thập kỉ 1980. Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng

thí nghiệm đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ lên tới 4 Gb/s trên

khoảng cách lớn hơn 100 km. Các hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ ba hoạt

động tại 2,5 Gb/s đã sẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990. Các hệ thốn

như vậy cũng có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 10 Gb/s. Hiệu năng tốt nhất của hệ

thống được thực hiện bằng việc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn

laser đơn mode.

Nhược điểm của hệ thống 1,55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được tái

sinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp điện ở khoảng cách điển hình cỡ 60 – 70 km.

Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng thêm nhờ sử dụng chế độ thu kết hợp

homodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được độ nhạy bộ thu. Các hệ thống như vậy

được gọi là các hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). Các hệ thống coherent

cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tàng của

chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên việc thương mại hóa

các hệ thống này đã bị trì hoãn do sự ra đời của các bộ khuyếch đại quang sợi vào

năm 1989.

Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng

khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tăng dung

lượng truyền dẫn. Như thấy rõ trong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật

WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ

thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001.Trong hầu hết các hệ

thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ

khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km.Các bộ

khuyeech đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp

thương mại năm 1990. Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi mà các hệ

5

thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi. Từ sau năm

1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc

độ Gb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới.

Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng

dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời. Cửa sổ bước

sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm. Nó

sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các

băng tần S và L tương ứng. Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếch đại tín

hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyếch đại EDFA không thực hiện

được. Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để

suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm.

Việc sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyếch đại mới có thể cho phép

các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM. Tiêu điểm của hệ

thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM. Ý tưởng

là để sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa sử

dụng cả biên độ và pha của sóng mang quang. Mặc dù các định dạng như vậy đã

được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống vô tuyến, nhưng việc sử

dụng trong các hệ thống sợi quang chỉ được chú ý đến nhiều sau năm 2001. Nhờ sử

6

dụng các định dạng điều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị

giới hạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8 b/s/Hz. Trong một

thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã được thiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên

khoảng cách 320 km bằng việc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L

với khoảng cách kênh 12,5 GHz. Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/s được ghép

phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độ cầu phương (QAM).

Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ

thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi. Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành

công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin

từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập.

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang

1.2.1 Băng tần phổ quang

Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng năng lượng điện từ để

phát tín hiệu. Phổ bức xạ điện từ (EM) được cho thấy trong hình 1-4. Năng lượng

điện từ là sự tổ hợp của điện trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng

vô tuyến, vi ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma. Mỗi

loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ. Bản chất cơ bản của tất cả các bức xạ

trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lan truyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108

m/s trong chân không. Tốc độ của sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc

độ c trong chân không bởi một hệ số chiết suất n:

𝑣 =𝑐

𝑛 (1.1)

Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xác định qua một số các

đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng, năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số

dao động của sóng. Khác với truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ

các băng tần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụng bước

sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động. Các đại lượng này liên hệ với nhau qua một số

phương trình đơn giản. Trước hết, tốc độ ánh sáng trong chân không c bằng bước

sóng nhân với tần số :

𝑐 = (1.2)

7

trong đó tần số được đo theo Hz. Tiếp theo, quan hệ giữa năng lượng của một

photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng) của nó được xác định qua định

luật Planck:

𝐸 = ℎ (1.3)

trong đó tham số h = 6,63x10-34

J-s = 4,14 eV-s là hằng số Planck. Theo bước sóng

(được đo theo µm), năng lượng theo đơn vị electron volt được xác định:

𝐸 𝑒𝑉 =1,2406

(µ𝑚) (1.4)

Hình 1-5 Phổ bức xạ sóng điện từ

Các hệ thống thông tin có thể được phân biệt qua các vùng phổ sóng điện từ

sử dụng. Hình 1-5 cho thấy các vùng phổ cụ thể cho các hệ thống thông tin vô tuyến

và quang sợi. Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến các băng tần sử dụng trải

rộng từ băng tần cao HF tới VHF và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107,

108 và 10

9 Hz tương ứng. Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tại

vùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng và kết quả cho phép

tăng dung lượng truyền dẫn thông tin. Đối với thông tin quang, các vùng băng tần

quang có tần số lớn hơn nhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi

quang cho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùng lớn qua hệ

thống.

Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tím đến 1 mm trong

vùng hồng ngoại xa. Ở giữa các vùng giới hạn này là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến

700 nm. Thông tin quang sợi sử dụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675

nm. Các hệ thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóng dài

8

và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáu băng tần phổ sử dụng

cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260 đến 1675 nm. Các chỉ định băng tần

bước sóng dài này xuất phát từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ

khuyếch đại EDFA. Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệ thống

sợi quang đa mode bước sóng ngắn. Mỗi vùng phổ đều đòi hỏi các thành phần linh

kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tính khác nhau của các thành phần này sẽ dẫn

đến hiệu năng cũng như ứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau.

Hình 1-6 Các vùng phổ sóng điện từ sử dụng cho thông tin quang sợi và thông tin vô

tuyến.

Vi ba

Vô tuyến

sóng ngắn

Vô tuyến

sóng dài

Cáp đồng

trục

Cáp đôi dây

xoắn

Ống dẫn

sóng

Sợi quang

Môi trường truyền dẫn Ứng dụng Băng tần

9

Hình 1-7 Ký hiệu các băng tần phổ bước sóng dài do ITU-T quy định

1.2.2Ghép kênh

Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau để truyền đồng

thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệu quả dung lượng truyền dẫn của hệ

thống. Đối với hệ thống thông tin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức

năng ghép kênh luôn đi kèm với hệ thống này. Các kỹ thuật ghép kênh thường được

sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) và ghép kênh theo tần số (FDM).

Hình 1-8 Phân cấp số cận đồng bộ PDH

Trong trường hợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép

xen trong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cách khác mỗi kênh sẽ

được gán vào những khe thời gian xác định để truyền đồng thời qua hệ thống cùng

với các kênh khác. Kỹ thuật TDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng

viễn thông và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình phát triển.

Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số, phân cấp số cận đồng bộ

(PDH) được hình thành xác định các mức và số lượng kênh thoại được ghép. Phân

10

cấp PDH như cho thấy trong hình 1-6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử

dụng cho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến. Sự thiếu một tiêu chuẩn

thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đã đòi hỏi sự ra đời một

tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạng quang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là

phân cấp số đồng bộ SDH. Bảng 1-1 cho thấy các cấp tốc độ trong phân cấp số

đồng bộ.

Bảng 1-1 Bảng tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH

Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần số trong đó mỗi

kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt. Các tần số sóng mang cách nhau

một khoảng tần lớn hơn độ rộng băng tần của kênh để tránh sự chồng phổ. FDM có

thể được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sử

dụng trong các hệ thống quảng bá. Trong các hệ thống viễn thông, chức năng ghép

kênh thường được thực hiện trong miền điện trước khi chuyển đổi thành tín hiệu

quang. Trường hợp FDM thực hiện hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép

kênh phân chia theo bước sóng WDM.

1.2.3 Đơn vị công suất

Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợi quang để đặc trưng

cho cường độ của tín hiệu quang trên hệ thống. Đại lượng công suất có thể được đo

trên hai kiểu thang đo:

- Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW

- Thang đo logarithm với đơn vị dBm

Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được sử dụng vì nó

đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễn dải rộng giá trị mức công suất

hay nói cách khác dễ dàng biểu diễn các mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ

lớn. Thêm nữa việc tính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơn

giản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tính nhân chia tỉ lệ

trong thang đo tuyến tính.

11

Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mức công suất theo

thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau:

𝑃 𝑑𝐵𝑚 = 10𝑙𝑜𝑔10 𝑃(𝑚𝑊 )

1 𝑚𝑊 (1.5)

Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệ logarithm của P so với 1 mW.

Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơn giản vì các giá trị điển hình mức công suất

phát nằm trong dải này (chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1 mW). Như

vậy dBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệt đối và một

quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW. Do đó, các giá trị công suất dương theo dBm

là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theo dBm là nhỏ hơn 1 mW. Bảng cho một số ví

dụ mức công suất quang theo hai đơn vị đo tương ứng.

Bảng 1-2 Bảng ví dụ chuyển đổi mức công suất giữa đơn vị tuyến tính và dBm

Công suất Đơn vị dBm

200 mW

100 mW

10 mW

1 mW

100 W

10 W

1 W

100 nW

10 nW

23

20

10

0

-10

-20

-30

-40

-50

1.3 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Hình 1-9 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang.

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, một kênh thông tin và một bộ thu, đây

được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin. Các

hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn

(guided) và không dẫn (unguided) tín hiệu quang. Trong trường hợp hệ thống quang

có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan

truyền và được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế.

12

Hình 1-9 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không có môi trường dẫn,

chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến hay

còn gọi là thông tin quang không dây. Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho

các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tập trung

theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả của bước sóng ngắn của chùm

quang). Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc căn chỉnh chính xác giữa bộ

phát và bộ thu. Trong trường hợp truyền dẫn khoảng cách lớn, tín hiệu trong hệ

thống không dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí quyển. Tuy nhiên

vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trên bầu khí quyển trái đất

(ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh). Mặc dù hệ thống thông tin quang không

gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu mạnh mẽ,

nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng hệ thống

thông tin quang sợi. Do vậy mà nội dung bài giảng này sẽ chỉ tập trung vào hệ

thống quang sợi.

1.3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi

Hình 1-9 đã cho thấy ba thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang

sợi bao gồm: cáp sợi quang vai trò như kênh thông tin, bộ phát quang và bộ thu

quang.

a. Sợi quang như một kênh thông tin

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới

bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử

dụng sợi quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn

ánh sáng với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km. Thậm chí khi mức công suất quang

giảm chỉ còn 1% sau 100 km. Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng

trong việc thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuyếch đại

của một hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn. Một vấn đề thiết kế quan trọng

khác là tán sắc sợi quang gây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn. Nếu

các xung quang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì

tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được tín hiệu ban đầu

Bộ phát quang Bộ thu quang Kênh truyền dẫn

Tín hiệu

vào

Tín hiệu

ra

13

với độ chính xác cao. Vấn đề này là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa

mode do mức độ dãn xung cỡ ~ 10 ns/km. Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin

quang ngày nay sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1

ns/km). Các vấn đề về sợi quang sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.

b. Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang

và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn. Hình 1-10 cho thấy sơ đồ khối tổng

quát của một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế,

và một bộ ghép nối với sợi quang. Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát

quang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của

chúng với kênh sợi quang. Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng

mang quang. Có hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài.

Ở phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm

trực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều

biến ngoài. Phương thức điều biến trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị

giới hạn về tính năng khi điều biến dữ liệu ở tốc độ cao.

Hình 1-10 Sơ đồ khối bộ phát quang

Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao. Ở

đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín

hiệu điện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài. Nhờ sử dụng bộ

điều biến ngoài, ngoài định dạng điều biến cường độ (IM) thì các định dạng điều

biến tiên tiến khác như PSK, FSK hay QAM cũng có thể được thực hiện dễ dàng

như trong các hệ thống thông tin quang thế hệ năm.

Trong bộ phát quang bộ ghép nối thường là một vi thấu kính để hội tụ tín

hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất. Các vấn đề về

bộ phát quang sẽ đề cập chi tiết trong chương 3.

c. Bộ thu quang

Mạch kích

thích

Nguồn

quang Bộ điều chế

Bộ ghép

nối quang

Tín hiệu

điện vào

Tín hiệu

quang ra

14

Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại

đầu ra tuyến sợi quang thành tín hiệu điện. Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ

thu quang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ

giải điều chế. Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng

quang. Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang

để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ giải điều chế phụ thuộc vào

các định dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể. Các hệ thống

thông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu

trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định để

xác địn các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện

thu được.

Hình 1-11 Sơ đồ khối bộ thu quang

Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang số được xác định qua tỉ số lỗi

bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit. Hầu hết các hệ thống thông tin

quang sợi xác định BER cỡ 10-9

như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ

thống thậm chí còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14

. Các vấn đề cơ bản của bộ thu

quang sẽ được trình bày trong chương 4.

1.3.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang

Ưu điểm:

- Suy hao thấp: Các sợi quang có suy hao thấp hơn so với cáp đồng do vậy

cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn. Điều này giúp giảm số

lượng các bộ lặp cần thiết sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn.

Sự giảm về thiết bị và các thành phần sẽ giảm độ phức tạp và giá thành

của hệ thống.

- Băng tần truyền dẫn rộng: Các sợi quang có độ rộng băng tần truyền dẫn

rộng nên một dung lượng lớn thông tin có thể được truyền qua hệ thống

giúp làm giảm số đường truyền vật lý cần thiết.

Tín hiệu

điện ra

Tín hiệu

quang vào Bộ ghép

nối quang

Bộ tách sóng

quang Bộ giải điều chế

Xử lý điện tử

15

- Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ

của sợi quang cho phép dễ dàng triển khai lắp đặt trên các hệ thống cáp

khác nhau. Đặc điểm này cũng cho thấy hệ thống quang sợi cũng triển

khai dễ dàng trong các hệ thống quân sự, hàng không, vệ tinh và tầu

thuyền.

- Không bị can nhiễu điện từ: Do sợi quang được làm từ vật liệu điện môi

không dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởng bới các hiệu ứng giao

thoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện có thể ghép cặp

với đường truyền.

- Độ an toàn được tăng cường: Các sợi quang cho mức độ an toàn cao khi

vận hành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất, đánh tia lửa điện và

điện thế cao như trong hệ thống cáp đồng.

- Bảo mật thông tin cao: Sợi quang cho phép một mức độ bảo mật thông

tin cao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợi quang khi truyền

mà không bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin.

Nhược điểm:

- Các hệ thống thông tin quang sợi có chi phí lặp đặt ban đầu lớn do vậy

mà chúng thường triển khai trên các mạng khoảng cách lớn và dung

lượng cao để đảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư.

- Do sợi quang có kích thước nhỏ và làm từ vật liệu điện môi trong suốt

như thủy tinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi phải có

kỹ năng để đảm bảo chất lượng mối hàn.

- Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần

phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng.

Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệ thống thông

tin quang sợi đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực khác nhau. Đối với lĩnh vực viễn thông, hệ thống thông tin quang sợi đã trở

thành nền tảng cơ bản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc

tế liên lục địa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập. Những thành tựu đạt được

và sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet ngày nay có được cũng nhờ vào sự

thành công có được của công nghệ thông tin quang sợi.

16

1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang

Để cho phép các thành phần và thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có thể

giao tiếp với nhau, rất nhiều các tiêu chuẩn quốc tế về viễn thông nói chung và

thông tin quang nói riêng đã được phát triển. Có ba loại cơ bản cho hệ thống quang

sợi bao gồm các tiêu chuẩn sơ cấp, các tiêu chuẩn kiểm định các thành phần thiết bị

và các tiêu chuẩn hệ thống.

Các tiêu chuẩn sơ cấp liên quan đến việc đo và mô tả các tham số vật lý cơ

bản như suy hao, độ rộng băng tần và các đặc tính hoạt động của sợi quang, các

mức công suất quang và độ rộng phổ. Ở Mỹ tổ chức chính liên quan đến các tiêu

chuẩn sơ cấp là Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (NIST). Tổ chức này thực

hiện các công việc tiêu chuẩn hóa laser và sợi quang, và nó cũng tài trợ hội thảo

hàng năm về đo kiểm quang sợi. Một số tổ chức quốc gia khác như Phòng thí

nghiệm vật lý quốc gia (NPL) ở Anh và PTB (Physikalisch-Technische

Bundesanstalt) ở Đức cũng có chức năng tương tự.

Các tiêu chuẩn kiểm định thành phần định nghĩa các phép đo thử hiệu năng

thành phần quang sợi và chúng thiết lập các thủ tục hiệu chỉnh thiết bị. Một số các

tổ chức khác nhau liên quan đến việc hình thành các tiêu chuẩn kiểm định này như

Hiệp hội công nghiệp viễn thông (TIA) kết hợp với Liên minh các nhà công nghiệp

điện tử (EIA), Ban viễn thông của ITU (ITU-T) và Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

(IEC). TIA có một danh sách trên 120 tiêu chuẩn và tham số kỹ thuật đo kiểm

quang sợi được ký hiệu TIA/EIA-455-XX-YY, trong đó XX liên quan đến một kỹ

thuật đo cụ thể và YY liên quan đến năm phát hành. Các tiêu chuẩn này cũng được

gọi là Các thủ tục đo kiểm định quang sợi (FOTP), do đó TIA/EIA-455-XX trở

thành FOTP-XX. Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các phương pháp được

khuyến nghị cho việc đo kiểm định phản ứng của sợi quang, cáp, linh kiện thụ động

và các thành phần quang điện đối với các yếu tố môi trường và các điều kiện hoạt

động. Ví dụ, TIA/EIA-455-60-1997 hoặc FOTP-60 là một phương pháp được ban

hành năm 1997 về đo độ dài của cáp sợi quang.

Các tiêu chuẩn hệ thống liên quan đến các phương pháp đo kiểm tuyến và

mạng truyền dẫn. Các tổ chức chính là Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI), Tổ

chức cho các kỹ sư điện và điện tử (IEEE), ITU-T và Telcordia Technologies. Cụ

thể cho hệ thống quang sợi là các tiêu chuẩn đo kiểm và các khuyển nghị từ ITU-T.

Trong loạt khuyến nghị G (trong dải số G.650 và cao hơn) liên quan đến cáp sợi

quang, bộ khuyếch đại quang, ghép kênh bước sóng, mạng truyền tải quang (OTN),

17

tính khả dụng và độ tin cậy hệ thống, quản lý và điều khiển các mạng quang thụ

động (PON). Loạt khuyến nghị L của ITU-T giải quyết việc xây dựng, lắp đặt, hỗ

trợ bảo dưỡng, giám sát và đo kiểm cáp và các phần tử khác trong hệ thống sợi

quang được triển khai ngoài thực địa.

Câu hỏi/bài tập chương 1

1/ Hệ thống thông tin quang sợi có những ưu điểm cơ bản gì so với hệ thống cáp

kim loại ?

2/ Trong mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang có những thành phần cơ bản

nào và làm chức năng gì ?

3/ Tính tần số ánh sáng và năng lượng photon tương ứng với bước sóng 1300nm.

Cho biết hằng số Plank h=6,625.10-34

J.s và vận tốc ánh sáng trong chân không

c=3.108 m/s.

4/ Tại sao trong kỹ thuật thông tin quang thường sử dụng đơn vị công suất là dBm.

Hãy chuyển đổi công suất 0,25 mW thành đơn vị dBm ?