Trng i Hc Khoa Hc T Nhin Khoa

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện Tử Viễn Thông *********** Đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GVHD : Th. S NGÔ ĐẮC THUẦN Sinh viên: Trương Thế Toàn Nguyễn Quang Hùng Đặng Vũ Thiên Lê Minh Quân Nguyễn Thanh Hùng 0520082(*) 0520030 0520071 0520065 0520031

Nội dung 1 -Giới thiệu 2 -Nguồn quang 3 -Tách sóng quang 4 -Hệ thống thông tin quang WDM 5 -Thiết kế hệ thống thông tin quang 6 -Ứng dụng tinh thể Li. Nb. O 3 trong chuyển mạch quang 7 -Ưu thế và hạn chế của việc phát triển thông tin quang ở Việt Nam

1. Giới thiệu 1. 1 Khái niệm thông tin quang 1. 2 Đặc tính cơ bản của thông tin quang 1. 3 Các định luật cơ bản

1. 1 Khái niệm ü Thông tin quang là hệ thống truyền tin thông qua sợi quang, có nghĩa là thông tin được truyền ở dạng tín hiệu quang (không phải tín hiệu điện) từ máy phát đến máy thu. Phương tiện truyền dẫn là cáp quang ü Máy phát: tín hiệu điện tín hiệu quang ü Máy thu: tín hiệu quang tín hiệu điện

1. 1 Khái niệm

1. 2 Đặc điểm cơ bản của cáp quang ü Độ suy hao truyền dẫn thấp (cự ly trên 50 km mới cần bộ lặp) ü Băng thông lớn ü Chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ) ü Không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh ü Không chịu ảnh hưởng của nhiễu cảm ứng sóng điện

1. 2 Đặc điểm cơ bản của thông tin quang ü Tốc độ cao (>10 Gb/s). ü Có độ an toàn, bảo mật cao. ü Tuổi thọ dài. ü Có thể triển khai trong nhiều địa hình khác nhau. ü Không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần.

Ưu-nhược điểm cơ bản của cáp quang Ưu điểm -Độ tổn hao thấp nên cần ít repeater. -Dễ lắp đặt và bảo dưỡng. -Dải thông lớn, truyền được nhiều ứng dụng. -Tốc độ cao (565 Mb/s). -Chống nhiễu cao. -Tính bảo mật cao. Nhược điểm -Chi phí lắp đặt cao -Khó đấu nối -Khó sửa chữa nếu bị đứt cáp -Khó thể lắp đặt theo những đường gấp khúc.

1. 3 Các định luật cơ bản Đặc tính truyền: Ánh sáng truyền trong sợi quang có 3 đặc tính cơ bản là truyền thẳng, phản xạ và khúc xạ. Sự truyền thẳng là ánh sáng được truyền trong môi trường đồng nhất, tia sáng đi theo đường thẳng, không bị gấp khúc. Hiện tượng khúc xạ: Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ sẽ bị thay đổi hướng truyền tại mặt phân cách giữa hai môi trường. Hiện tượng phản xạ: Là hiện tượng tia sáng quay trở lại môi trường của tia tới khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau.

1. 3 Các định luật cơ bản Nguyên lý truyền: Tùy theo góc ánh sáng đi vào cáp quang mà ta có những hướng đi của ánh sáng trong cáp quang khác nhau. Những tia sáng đi vào tâm của sợi quang với những góc tới nhỏ thì dường như đi theo một đường thẳng dọc theo trục sợi quang.

1. 3 Các định luật cơ bản Nguyên lý truyền: Những tia sáng đi vào sợi quang với góc tới lớn hơn thì thường đi theo lộ trình phản xạ nhiều lần, đường đi dài hơn và chậm hơn. Tùy theo góc tới mà tia sáng bị suy hao nhiều hay ít. Tia có góc tới nhỏ nhất ít bị suy hao nhất vì ít bị phản xạ hơn.

Tóm lại: -Thông tin quang là hệ thống mà thông tin được truyền ở dạng tín hiệu quang thay vì ở dạng xung điện. -Là hệ thống có nhiều ưu điểm, được ứng dụng cho phát triển các hệ thống thông tin hiện đại, tốc độ cao. -Ánh sáng truyền trong sợi quang có 3 đặc tính cơ bản là truyền thẳng, phản xạ và khúc xạ. -Từ định luật khúc xạ ta chế tạo sợi quang có vỏ bọc có chiết suất nhỏ hơn chết suất của lõi sợi quang.

2. Nguồn quang 2. 1 Khái niệm 2. 2 Yêu cầu kỹ thuật 2. 3 Hai loại linh kiện phát quang

2. Nguồn quang 2. 1 Khái niệm Linh kiÖn biÕn ®æi tõ tÝn hiÖu ®iÖn sang tÝn hiÖu quang, ® îc gäi lµ nguån quang. Linh kiÖn nµy cã nhiÖm vô ph¸t ra ¸nh s¸ng cã c «ng suÊt tû lÖ víi dßng ®iÖn ch¹y qua nã.

2. Nguồn quang 2. 2 Yêu cầu kĩ thuật B ícsãng cña ¸nh s¸ng ph¸t ra: Møc ®é suy hao cña ¸nh s¸ng truyÒn trªn sîi quang phô thuéc vµo b ícsãng cña ¸nh s¸ng. Cã ba b ícsãng th «ng dông lµ 850 nm, 1300 nm, 1550 nm. Do ®ã ¸nh s¸ng do nguån quang ph¸t ra còng ph¶i cã b ícsãng phï hîp. Thêi gian chuyÓn: §Ó cã thÓ truyÒn ® îc tÝn hiÖu sè cã tèc ®é bit cµng cao th× thêi gian chuyÓn tr¹ng th¸i cña nguån quang ph¶i cµng nhanh.

2. Nguồn quang 2. 2 Yêu cầu kĩ thuật C «ng suÊt ph¸t: Cù ly th «ng tin phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè trong ®ã c «ng suÊt ph¸t cña nguån quang lµ mét trong nh÷ng yÕu tè chÝnh. C «ng suÊt ph¸t cµng lín(trong giới hạn cho phép) th× cù ly th «ng tin cµng xa. §é réng phæ: Ánh s¸ng mµ nguån quang thùc tÕ ph¸t ra kh «ng ph¶i lµ chØ cã mét b ícsãng duy nhÊt mµ gåm mét kho¶ng b íc sãng. Kho¶ng sãng nµy cµng réng th× ®é t¸n s¾c chÊt liÖu cµng lín do ®ã lµm h¹n chÕ d¶i th «ng cña tuyÕn truyÒn dÉn quang. Nh vËy ®é réng phæ cña nguån quang cµng hÑp cµng tèt.

2. Nguồn quang 2. 2 Yêu cầu kĩ thuật Gãc tới ¸nh s¸ng: Nh ta ®· biÕt ® êng kÝnh lâi cña sîi quang rÊt nhá nÕu kÝch th íccña nguån quang lín vµ gãc phong ¸nh s¸ng réng vµ c «ng suÊt ph¸t quang vµo ® îc lâi sÏ rÊt thÊp. Do ®ã nguån quang cã vïng ph¸t s¸ng vµ gãc ph¸t s¸ng cµng hÑp cµng tèt. §é æn ®Þnh: C «ng suÊt quang mµ c¸c nguån quang thùc tÕ ph¸t ra Ýt nhiÒu phô thuéc vµo nhiÖt ®é m «i tr êng, thêi gian sö dông vµ ® «i khi cßn phô thuéc vµo c êng®é s¸ng xung quanh. V× vËy c «ng suÊt do nguån quang ph¸t ra cµng æn ®Þnh cµng tèt. Thêi gian sö dông l©u.

2. Nguồn quang 2. 3 Hai loại linh kiện phát quang : Diod phát quang ( LED ) Diod laser ( LD ) Có công suất phát xạ thấp (vài m. W) công suất phát xạ cao(vài chục m. W) Thường được sử dụng cho truyền quang cự ly ngắn và truyền trên cáp quang đa mode Thường được sử dụng cho các thiết bị đồng trục Chủ yếu là các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit nhỏ hơn hoặc bằng 100 Mbit/s Chủ yếu là các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit lớn hơn 100 Mbit/s Dễ chế tạo, rẻ tiền Khó chế tạo, chi phí cao

3. Tách sóng quang 3. 1 Khái niệm 3. 2 Yêu cầu kỹ thuật 3. 3 Các linh kiện tách sóng quang 3. 4 Các thông số kĩ thuật 3. 5 So sánh đặc tính kĩ thuật của PIN và APD

3. Tách sóng quang 3. 1 Khái niệm Linh kiÖn biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn, cßn gäi lµ linh kiÖn t¸ch sãng quang (hay linh kiÖn thu quang). Linh kiÖn nµy cã nhiÖm vô ng îcl¹i so víi nguån quang , tøc lµ t¹o ra dßng ®iÖn tû lÖ víi c «ng suÊt quang chiÕu vµo nã.

3. Tách sóng quang 3. 2 Yêu cầu kỹ thuật B ícsãng: Nh¹y ®èi víi b ícsãng ho¹t ®éng cña hÖ thèng §é nh¹y: Cã ®é nh¹y cµng cao(trong giới hạn cho phép) cµng tèt. Tøc lµ kh¶ n¨ng t¸ch ® îc c¸c tÝn hiÖu quang thËt nhá víi sè lçi (BER) trong ph¹m vi cho phÐp. Linh kiÖn t¸ch sãng quang cµng nh¹y th× cµng cã kh¶ n¨ng níi réng cù ly th «ng tin.

3. Tách sóng quang 3. 2 Yêu cầu kỹ thuật Phản øng nhanh: §Ó cã thÓ lµm viÖc trong hÖ thèng cã tèc ®é bit cao Dßng tèi: Khi ch acã ¸nh s¸ng chiÕu vµo nh nglinh kiÖn t¸ch sãng quang vÉn cã dßng ®iÖn t¸ch sãng nhiÔu ch¹y qua. Dßng ®iÖn nµy cµng nhá cµng tèt. T¹p ©m: Cã t¹p ©m cµng thÊp cµng tèt(trong giới hạn cho phép) ®Ó ®¶m b¶o tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N). §é tin cËy cao.

3. Tách sóng quang 3. 3 Các linh kiện tách sãng quang PIN: lo¹i diode thu quang gåm ba líp b¸n dÉn P, I vµ N. Trong ®ã P vµ N lµ hai líp b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt cßn I (Intrinsic) kh «ng pha t¹p chÊt hoÆc pha víi nång ®é rÊt thÊp. APD (Avalanche Photo Diode): Diode thu quang cã ®é nh¹y vµ tèc ®é cao. Ngoµi ra cßn cã transistor quang (Phototransistor) cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi tÝn hiÖu quang sang tÝn hiÖu ®iÖn nh ngcã thêi gian ®¸p øng chËm nªn Ýt ® îc sö dông. NÕu cã còng chØ xuÊt hiÖn trong c¸c hÖ thèng cã cù ly ng¾n vµ tèc ®é chËm. C¸c linh kiÖn t¸ch sãng quang ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c cña mét tiÕp gi¸p PN ph©n cùc ng îc.

3. Tách sóng quang 3. 4 Những thông số cơ bản HiÖu suÊt l îngtö: HiÖu suÊt l îngtö ® îc tÝnh bëi tû sè l îng®iÖn tö t¸ch ra vµ sè photon ® îc hÊp thô. Trong ®ã: : Hiệu suất l îngtö nph : sè l îngphoton hÊp thô ne : sè l îng®iÖn tö t¸ch ra Gi¸ trÞ lín nhÊt cña lµ 1, tøc lµ mét photon ® îc hÊp thô sÏ lµm bøc x¹ nhiÒu nhÊt mét cÆp ®iÖn tö vµ lç trèng. Th «ng th êng nhá h¬n 1 vµ ® îc tÝnh theo phÇn tr¨m (%). Trong nh÷ng tr ênghîp ®Æc biÖt (cã hiÖu øng nh©n) mét photon ® îc hÊp thô cã thÓ lµm ph¸t sinh nhiÒu ®iÖn tö.

3. Tách sóng quang 3. 4 Những thông số cơ bản §¸p øng: §¸p øng cña linh kiÖn t¸ch sãng quang lµ tû sè cña dßng ®iÖn sinh ra vµ c «ng suÊt quang ® avµo. Trong ®ã: R: §¸p øng Ie: Dßng quang ®iÖn Popt: c «ng suÊt quang T¹p ©m: Tạp ©m trong c¸c linh kiÖn thu quang ® îc thÓ hiÖn d íid¹ng dßng ®iÖn t¹p ©m.

3. Tách sóng quang 3. 4 Những thông số cơ bản §é nh¹y: §é nh¹y cña linh kiÖn thu quang lµ møc c «ng suÊt quang thÊp nhÊt mµ linh kiÖn cã thÓ thu ® îc v¬Ý mét tû sè lçi (BER) nhÊt ®Þnh. Theo tiªu chuÈn G 956 cña CCITT, BER = 10 10. §é nh¹y cña linh kiÖn thu quang phô thuéc lo¹i linh kiÖn t¸ch sãng quang vµ møc nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn. Ngoµi ra tèc ®é bit truyÒn dÉn cµng cao th× ®é nh¹y cña thiÕt bÞ thu cµng kÐm. D¶i ®éng: D¶i ®éng cña linh kiÖn thu quang lµ kho¶ng chªnh lÖch gi÷a møc c «ng suÊt cao nhÊt vµ møc c «ng suÊt thÊp nhÊt (tøc ®é nh¹y) mµ linh kiÖn cã thÓ thu ® îc trong mét giíi h¹n tû sè lçi (BER) nhÊt ®Þnh.

3. Tách sóng quang 3. 5 So sánh đặc tính kĩ thuật của PIN và APD §é nh¹y: APD nh¹y h¬n PIN. §é nh¹y cña APD lín h¬n PIN tõ 5 ®Õn 15 d. B Nh¹y (d. B) -30 -40 PIN -50 -60 -70 APD 1 10 1000 Mb/s

3. Tách sóng quang 3. 5 So sánh đặc tính kĩ thuật của PIN và APD D¶i ®éng: D¶i ®éng cña APD réng h¬n PIN v× cã thÓ ®iÒu chØnh ® îc b» ng c¸c thay ®æi ®iÖn ¸p ph©n cùc ®Ó thay ®æi hÖ sè nh©n M. Dßng tèi: Dßng tèi cña APD lín h¬n so víi PIN. §é æn ®Þnh: §é æn ®Þnh cña PIN tèt h¬n so víi APD

3. Tách sóng quang 3. 5 So sánh đặc tính kĩ thuật của PIN và APD §iÖn ¸p ph©n cùc: APD cÇn ®iÖn ¸p ph©n cùc ng îccao h¬n PIN. §iÖn ¸p ph©n cùc cña APD cã thÓ lªn ®Õn hµng tr¨m volt trong khi ®iÖn ¸p ph©n cùc cho PIN th êngd íi 20 volt. C¸c mÆt h¹n chÕ cña APD lµ: ChÕ ®é lµm viÖc kÐm æn ®Þnh nªn cÇn m¹ch ®iÖn phøc t¹p. Dßng nhiÔu lín §iÖn ¸p ph©n cùc cao vµ yªu cÇu ®é æn ®Þnh cao Gi¸ thµnh cao

4. Hệ thống thông tin quang WDM 4. 1 Khái niệm 4. 2 4. 3 4. 4 4. 5 4. 6 Cấu hình của hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM Đặc điểm của hệ thống WDM DWDM và CWDM Lưới ITU

4. 1. Khái niệm WDM (Wavelength Division Multiplexing ): ghép kênh theo bước sóng, cho phép truyền nhiều bước sóng khác nhau trên cùng 1 sợi quang Trong mô hình OSI thì WDM nằm ở layer 1. Trong Optical Network được gọi là lớp Optical Layer. Cung cấp dịch vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM…

4. 2 Cấu hình hệ thống WDM + Đầu phát : - Các bước sóng quang khác nhau được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX (Multiplexer) - Bộ ghép kênh MUX phải đảm bảo ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu giữa các kênh - Các luồng tín hiệu sau khi được ghép được truyền trên 1 sợi quang tới đầu thu - Trên một đường truyền dài thì tín hiệu được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại. Ví dụ như EDFA (Erbium-doped Fibre Amplifier) + Đầu thu : - Bộ DEMUX sẽ tách tín hiệu ra thành các tín hiệu riêng lẻ và truyền tới các bộ thu tương ứng của từng luồng

4. 3 Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM đơn hướng : + Chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. + Để truyền thông tin giữa hai điểm cần 2 sợi quang

Hệ thống WDM song hướng : + truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để trao đổi thông tin giữa hai điểm

Cả 2 hệ thống đều có ưu nhược điểm riêng. Giả sử truyền N bước sóng trên một sợi quang: + Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Nhưng số sợi quang cần dùng cũng tăng gấp đôi. + Khi có sự cố đứt cáp, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (Automatic Protection Switching – APS), vì 2 đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố tức thời. + Về mặt thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì phải xét thêm nhiều yếu tố : vấn đề xuyên nhiễu, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang không dùng chung 1 bước sóng + Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng phức tạp hơn. Tuy nhiên do số bước sóng trong khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên sẽ cho ra công suất quang ngõ ra lớn hơn hệ thống đơn hướng

4. 4 Đặc điểm của hệ thống WDM A. Ưu điểm: + Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần số bước sóng được ghép vào để truyền trên 1 sợi quang + Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như : ATM, Gigabit Ethernet (GE), Circuit Switching, ESCON(Enterprise Systems Connection ), IP… + Khả năng mở rộng : nếu với lưu lượng 2, 5 Gb/s, ghép WDM 8 đến 16 luồng thì ta có 1 đường thông tin quang với lưu lượng là 20 Gb/s đến 40 Gb/s trên 1 sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được cái thiết bị MUX và DEMUX vốn có + Công nghệ WDM cho phép xây dựng mạng truyền tải quang OTN, giúp truyền tải nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi chất lượng cao và bandwidth lớn

B. Nhược điểm: + Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang ( chỉ mới sử dụng được CBand và L-Band C Band Range : 1530 nm – 1560 nm L Band Range : 1570 nm – 1600 nm + Quá trình khai thác và bảo dưỡng phức tạp

4. 5 Hai công nghệ mới trong hệ thống WDM + DWDM: - Dense Wavelength Division Multiplexing : ghép kênh theo bước sóng mật độ cao , 40 đến 80 bước sóng trên băng C và băng L - Được sử dụng trong hệ thống cáp quang biển hay hệ thống xuyên lục địa - Khoảng cách được chuẩn hóa giữa 2 bước sóng theo lưới ITU là 0. 8 nm

+ CWDM : - Coarse Wavelength Division Multiplexing : ghép kênh theo bước sóng “thô” - Theo lý thuyết có thể ghép được tối đa 18 bước sóng, khoảng cách các bước sóng vào khoảng 20 nm - Được triển khai trong mạng của 1 thành phố hay một khu vực

So sánh DWDM và CWDM + Ưu điểm của DWDM so với CWDM: - có khả năng tận dụng tối đa dung lượng truyền dẫn của sợi quang - Có khả năng truyền dẫn khoảng cách xa (do phổ quang của tín hiệu DWDM sử dụng trong miền EDFA chính (prime EDFA region) - Dễ dang nâng cấp hệ thống (thêm số lượng bước sóng ghép mà không cần phải thay toàn bộ thiết bị mới- đặc biệt là sợi quang và các bộ lặp/khuyếch đại có thể giữ nguyên) + Nhược điểm của DWDM so với CWDM: - Yêu cầu công nghệ phức tạp hơn (laser độ chính xác cao, bộ lọc quang chính xác và băng thông cực hẹp, nhiều bứoc sóng thì tiêu thụ nhiều nguồn hơn, các bộ EDFA đắt tiền hơn, . . . ) - Chi phí thiết lập hệ thống ban đầu cao hơn nhiều so với một hệ thống CWDM tương đương

4. 6 Lưới ITU - Dùng cho việc chuẩn hóa thiết bị giữa các nhà sán xuất để đảm bảo tính tương thích lẫn nhau - Khoảng cách giữa các kênh theo tần số là 50 Ghz ( tương đương khoảng cách theo bước sóng là 0. 4 nm ) với tần số trung tâm là 193. 1 Thz (1552. 52 nm) theo chuẩn ITU-G. 692. - Khoảng cách này phù hợp với khả năng phân giải của các bộ MUX/DEMUX hiện nay, độ ổn định tần số của các bộ laser. Khi công nghệ ngày càng hoàn thiện khoảng cách này sẽ được giảm đi

- Chuẩn ITU –G. 959 chuẩn hóa bộ 16 bước sóng bắt đầu từ tần số 192. 1 Thz , rộng 200 Ghz mỗi bên cho giao diện đa kênh giữa các thiết bị WDM. Xuất phát từ việc đảm bảo tiêu chuẩn cho các hệ thống có 4, 8, 16, 32 bước sóng hoạt động tương thích nhau vì các nhà sản xuất đều có cấu hình kênh tối ưu riêng và các kế hoạch nâng cấp hệ thống từ ít kênh lên nhiều kênh khác nhau - Phải đảm bảo độ lệch tần số tối đa cho phép , đối với độ lệch >=200 Ghz , độ lệch tần số tối đa cho phép không quá 1/5

5. Thiết kế hệ thống thông tin quang Cấu trúc tuyến thông tin quang đơn giản nhất là các hệ thống điểm – điểm. Vai trò của nó là truyền tải lưu lượng thông tin, và phổ biến nhất là các hệ thống truyền dẫn số. Thiết bị phát Tx Thiết bị lặp Rx Tx Thiết bị thu Rx Khuếch đại quang Thiết bị phát Tx Thiết bị thu OA Rx

5. Thiết kế hệ thống thông tin quang Các yêu cầu trọng yếu được đặt ra là: - Cự ly truyền dẫn theo yêu cầu ( hoặc có thể đạt được). - Tốc độ truyền dẫn hoặc dung lượng kênh tương đương. - Tỷ số lỗi bit BER. Yêu cấu đặc tính kỹ thuật: - Sợi quang đơn mode hay đa mode. - Nguồn phát là diode laser LD hay diode phát quang LED. - Thu quang sử dụng photodiode p-i-n hay APD.

5. Thiết kế hệ thống thông tin quang Mã đường truyền: - Là phần quan trọng trong thiết kế một hệ thống thông tin quang. - Mã hóa tín hiệu sử dụng tập hợp các quy tắc để sắp xếp các ký hiệu của tín hiệu theo một mẫu có tính đặc trưng riêng. - Chức năng là tạo ra sự dư thừa trong chùm tín hiệu số mang thông tin để giảm lỗi tới mức nhỏ nhất. - Có 3 loại mã nhị phân: NRZ, PE…

5. Thiết kế hệ thống thông tin quang Cấu hình truyền dẫn cáp quang có 2 loại: - Hệ thống truyền dẫn digital: Đầu vào Đầu ra Mã hóa Biến đổi điện/quang Giải mã Tái tạo đồng nhất Sợi quang Biến đổi quang/điện Khuếch đại cân bằng

5. Thiết kế hệ thống thông tin quang - Hệ thống truyền dẫn analog: Đầu vào Biến đổi điện/quang Tiền điều chế Đầu ra Giải điều chế Sợi quang Biến đổi quang/điện Khuếch đại

Các kỹ thuật ghép kênh Hệ thống ghép kênh quang OFDM Hệ thống ghép kênh quang OTDM Hệ thống ghép kênh sóng mang phụ

Hệ thống ghép kênh quang OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing). Băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số các kênh thông tin riêng biệt. Các kênh ánh sánh có các tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song để cùng truyển đồng thời trên một sợi quang.

Hệ thống ghép kênh quang OFDM S 1 S 2 Mix f 1 Mix f 2 Sn BỘ KẾT HỢP Sợi quang LASER TÁCH QUANG Điều biến ngoài PLL quang BỘ CHIA CÔNG SUẤT Mix S 1 S 2 f 2 Mix fn fn Sn

Hệ thống ghép kênh quang OFDM Công nghệ OFDM đang được triển khai thực nghiệm, số kênh có thể ghép trong một luồng quang có thể tới hàng trăm. OFDM được coi như là biện pháp ghép quang có mật độ dày đặc. Mỗi một kênh thông tin có tốc độ lớn hơn 1 Gbyte, nhờ ghép kênh quang theo tần số OFDM ta có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn cao hơn 1 Tbit/s (1 Tera = 103 Giga).

Hệ thống ghép kênh quang OTDM (Optical Time Division Multiplexing) Chuỗi xung quang được chia đều thành N luồng mỗi luồng sẽ được đưa vào điều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc độ B Gbit/s, các tín hiệu nhánh sau đó được đưa qua các bộ trễ quang và làm đầy khe thời gian một cách tương ứng. Như vậy, tín hiệu sau khi được ghép sẽ có tốc độ là (Nx. B) Gbit/s.

Hệ thống ghép kênh quang OTDM

Ghép kênh sóng mang phụ SCM Kênh 1 SC 1 Kênh 2 Kênh N SC 2 SCN Sợi quang Bộ kết hợp viba TX D Bộ phát quang Photodiode Chọn kênh và tách sóng Bộ thu viba

6. Tinh thể Li. Nb 03(Liti Niobate) trong chế tạo chuyển mạch quang a. Giới thiệu chung b. Nguyên tắc hoạt động: c. Vấn đề điện cực trong chuyển mạch quang d. Kết luận:

a. Giới thiệu chung: -Trong thực tế , các phương pháp chuyển mạch cơ điện hoặc chuyển đổi quang-điện , điện-quang (để ghép nối các mạng cáp quang) không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ chuyển mạch nhanh , về sự đa dạng của dung lượng và các loại hình thông tin trong các mạng cục bộ cũng như về độ an toàn thiết bị. Trong những thập niên gần đây, người ta tập trung nghiên cứu chế tạo các linh kiện và thiết bị chuyển mạch quang sử dụng tinh thể.

Trong khi đó , những ưu điểm của tinh thể Li. Nb. O 3 trong chế tạo các thiết bị quang và trong chế tạo chuyển mạch đã được khẳng định. Chính vì vậy chuyển mạch dựa trên tinh thể này đang rất được quan tâm nghiên cứu, chế tạo và đưa vào áp dụng trong mạng viễn thông quang

c. Nguyên tắc hoạt động: Các bộ chuyển mạch sử dụng tinh thể Li. Nb. O 3 có tốc độ chuyển mạch rất cao dựa trên các hiệu ứng thay đổi chiết suất theo các hướng khác nhau của tinh thể khi có tác dụng của điện trường ngoài. Hiệu ứng này phụ thuộc vào hướng điện trường áp đặt so với hướng truyền của ánh sáng tới, trục của tinh thể, tần số và cường độ điện trường. Khi chiết suất của môi trường truyền sóng thay đổi theo một tần số nhất định, ta có thể tách đôi chùm sáng truyền trong tinh thể và điều biến chùm sáng.

Ba cấu hình cơ bản và phổ biến nhất của chuyển mạch quang sử dụng tinh thể Li. Nb. O 3 (cho các bước sóng 630, 670, 850, và 1300 nm trong hệ thống thông tin quang sợi) là : dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder, hiệu ứng phản xạ chùm tia và cơ chế ghép đường dẫn sóng định hướng. Các cấu hình chuyển mạch này thích hợp với mạng quang đơn mode và đa mode hiện đang sử dụng trong các hệ thống thông tin quang.

a. Cấu hình chuyển mạch quang dùng bộ ghép định hướng

b. Cấu hình chuyển mạch quang dùng giao thoa kế Mach Zehnder

c. Vấn đề điện cực trong chuyển mạch Việc giảm thời gian chuyển mạch hay mở rộng dải thông cho chuyển mạch Li. Nb. O 3 cũng phụ thuộc vào kiểu điện cực. Có hai kiểu điện cực là kiểu điện cực chìm và kiểu điện cực gợn sóng được sử dụng để dẫn sóng ánh sáng trong chuyển mạch Li. Nb. O 3.

3 a. Điện cực chìm

3 b. Điện cực kiểu gợn sóng

Đối với yêu cầu tốc độ cao và thời gian chuyển mạch nhỏ và chỉ cho phép hoạt động với điện áp điều khiển thấp thì cần phải chọn cách thiết kế chuyển mạch quang có điện cực kiểu gợn sóng sẽ tốt hơn kiểu điện cực chìm. Trong trường hợp muốn xây dựng module chuyển mạch cấp cao từ nhiều chuyển mạch cấp nhỏ hơn thì nên chọn phương án còn lại

d. Kết luận: Hiện nay với nhu cầu thông tin không ngừng gia tăng về dung lượng và tốc độ, các dòng thông tin theo yêu cầu phải có tốc độ bit lớn và mang một dung lượng lớn với dải thông truyền dẫn yêu cầu lên tới hàng trăm GHz. Dĩ nhiên đối với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp quang hiện nay trong vùng bước sóng có suy hao thấp nhất hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu trên.

. Tuy nhiên một vấn đề quan trọng là hệ thống chuyển mạch phải có dung lượng chuyển mạch cực lớn và thời gian chuyển mạch rất nhỏ. Các chuyển mạch điện tử số đã không đảm bảo được yêu cầu này và đòi hỏi hệ thống cần phải có các chuyển mạch quang. Như vậy, ngoài ưu điểm cơ bản về tốc độ chuyển mạch, bản thân hệ thống mạng cũng tiết kiệm được thời gian chuyển đổi quang điện, điện quang và bao gồm thêm cả các thiết bị chuyển đổi trong hệ thống mạng.

Trong số các chuyển mạch quang hiện nay, chuyển mạch quang trên nền tinh thể Lithium Niobat Oxit đang được áp dụng và nghiên cứu rất rộng rãi với cấu hình phổ biến nhất. Hiện nay đã chế tạo được chuyển mạch lên tới hơn 100 Gbit/s, thời gian chuyển mạch cỡ nanô giây hoặc bé hơn và dễ dàng ghép nối với hệ thống mạng bên ngoài. Có thế nói đây là linh kiện chuyển mạch tối ưu cho các mạng viễn thông cáp quang hiện nay và trong tương lai

7. Vấn đề phát triển hệ thống thông tin quang tại Việt Nam: a. tình hiện tại: b. Ưu thế và hạn chế của việc triển khai hệ thống thông tin quang:

a. tình hiện tại: Hiện nay, tại Việt Nam cáp quang được ứng dụng và triển khai rất rộng rãi. Điển hình như: -Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn quốc tế kết nối Việt Nam với các nước khác trên thế giới. Cụ thể như: tuyến TVH(kết nối Thailand -VN-Hong. Kong), tuyến cáp quang Liên Á…. -Sử dung trong các tuyến truyền dẫn liên tỉnh và nội tỉnh để kết nối thông tin giữa các tổng đài với nhau như tuyến cáp quang quốc lộ 1 A, tuyến cáp quang đường Hồ Chí Minh…

-Sử dụng trong mạng truy cập để cung cấp đường truyền tốc độ cao tới các cơ quan, doanh nghiệp hoặc cá nhân có nhu cầu, ví dụ như cung cấp đường truyền số liệu tốc độ cao hoặc kết hợp với cáp đồng trong các mạng truyền hình cáp. -Trong tương lai, hệ thống truyền dẫn của Việt Nam sẽ phát triển theo xu hướng chung của thế giới là Cáp Quang Hóa. Cáp quang sẽ được triển khai tối đa để thay thế các hệ thống viba(vô tuyến) hiện còn lại(ở những nơi chưa triển khai cáp quang do địa hình).

b. Ưu thế và hạn chế của việc triển khai hệ thống thông tin quang: Ưu thế: Dung lượng lớn. Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60. 000 cuộc đàm thoại. Một sợi cáp quang (có đường kính ngoài 2 cm) có thể chứa được khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6. O 0 O. OOO cuộc đàm thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn gồm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại. một cáp đồng trục có khả năng với 10. 000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời.

Kích thước và trọng lượng nhỏ. So với một cáp đồng có cùng dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt chúng hơn, đặc biệt ở những vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong các đường ống đứng trong các tòa nhà), ở đó khoảng không là rất ít.

Không bị nhiễu điện. Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ hay nhiễu tần số vô tuyến và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những môi trường khắc nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo các đường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào sợi quang khác được.

Tính cách điện. Sợi quang là một vật cách điện, nó loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện.

Tính bảo mật. Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí nếu đã thâm nhập vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được.

Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng. Sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước. Sợi quang có thời gian hoạt động lâu , ước tính trên 30 năm đối với một số cáp. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông thường; trong cáp không có dây đồng, vốn là yếu tố có thể bị mòn dần và gây ra mất hoặc lúc có lúc không có tín hiệu.

Tính linh hoạt. Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu , thoại và video. Tính mở rộng. Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết. Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc độ số liệu cao hơn bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử. Hệ thống cáp sợi quang có thể vẫn được giữ nguyên như cũ.

Sự tái tạo tín hiệu. Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu , khoảng cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại lazer. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách này lên tới 200 km và có thể 1000 km. Chi phí tiết kiệm được do sử dụng ít các bộ lặp trung gian và việc bảo dưỡng chúng có thể là khá lớn. Ngược lại , các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã cần có một bộ lặp.

b. Hạn chế: Vấn đề biến đổi điện - quang. Trước khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào một sợi quang , tín hiệu điện đó phải được biến đổi thành sóng ánh sáng (có bước sóng 850 , 1310 hoặc 1550 nm). Công việc này do các thiết bị điện tử thực hiện tại đầu phát. Tại đầu thu , tín hiệu quang phải được biến đổi trở về tín hiệu điện khả dụng. Khi đó chi phí của thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần được xem xét trong tất cả các ứng dụng.

Đường truyền thẳng. Cáp quang cần có đường đi thẳng. Cáp được chôn trực tiếp , đặt trong các ống hoặc treo trên không theo một đường thẳng. Điều này có thể đòi hỏi phải mua hoặc thuê tài sản , nơi có đường cáp quang đi qua. Đôi không thể có được những đường đi thẳng cho các tuyến cáp. Đối với những nơi như vùng rừng núi hay một số khu vực đô thị các phương pháp thông tin vô tuyến có thể thích hợp hơn. Yêu cầu lắp đặt đặc biệt. Do sợi quang chủ yếu làm bằng thủy tinh (silic) , nên cần phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặt các tuyến thông tin cáp quang. Các phương pháp lắp đặt cáp đồng thông thường, ví dụ uốn cong, bọc dây, hay hàn không còn áp dụng được nữa. Đồng thời còn phải có các thiết bị sợi quang thích hợp để kiểm tra đo thử các sợi quang.

Vấn đề sửa chữa. Không dễ dàng sửa chữa các đường cáp quang bị hư hỏng. Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp. Trong một số trường hợp có thể cần thay toàn bộ đoạn cáp bị hỏng. Vấn đề này trở nên phức tạp hơn nhiều khi có nhiều ngưởi sử dụng được phục vụ bằng đoạn cáp bị hỏng đó. Vì thế cần có sự thiết kế hệ thống thích hợp cùng với việc định tuyến liên lạc phòng bị cho những tình huống hỏng hoc bất ngờ các đường cáp quang.

Cám ơn các bạn đã chú ý theo dõi!