Thứ ba, 31/1/2023 | 16:54 GMT+7

Đại Cương về Sợi Quang

Bài viết được dịch và biên tập từ các tài liệu: J.Crisp and Barry Elliott, Introduction to Fiber Optics, Elsevier, 2005; Gerd Keiser, Optical Fiber Communication, Mc Graw Hill, 2000 và Sợi quang và công nghệ SDH, 2009, với mong muốn đưa vào mục tài liệu kỹ thuật để chia sẻ kiến thức cho các anh em đồng nghiệp.

Lịch sử phát triển

Hệ thống truyền thông quang bắt đầu xuất hiện từ những năm 1970s. Các hệ thống này sử dụng các sóng mang cao tần (~100 THz) trong vùng cận hồng ngoại của phổ điện từ. Các hệ thống truyền thông quang là các hệ thống dùng sợi quang để truyền sóng ánh sáng cho mục đích trao đổi thông tin. Kể từ năm 1980, chúng được phát triển rộng khắp và mở ra một bước đột phát mới trong lĩnh vực truyền thông.

Sự phát triển của hệ thống quang có thể chia làm nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên vào năm 1980 với sự xuất hiện của laser bán dẫn GaAs hoạt động gần bước sóng 800nm. Tốc độ truyền có thể đến 45 Mb/s và khoảng lặp lên đến 10 km. Thế hệ thứ hai hình thành vào cuối những năm 1980 với sự ra đời của laser bán dẫn InGaAs và sợi quang đơn mode hoạt động ở bước sóng 1,300 nm. Tốc độ truyền lên đến 1.7 Gb/s với khoảng lặp 50 km. Trong thế hệ thứ ba vào những năm 1990s, với sự xuất hiện của sợi quang có tán sắc dịch chuyển đã góp phần khắc phục tắn sắc của sợi quang gần bước sóng 1,550 nm. Các trạm lặp điện tử xuất hiện với khoảng lặp 60-70km.

Đặc trưng quan trọng của thế hệ thứ tư là việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFAs và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM). EDFAs gia tăng khoảng cách truyền dẫn của tín hiệu quang lên đến hàng ngàn km khi không có trạm lặp. Bên cạnh đó, kỹ thuật WDM giúp gia tăng dung lượng truyền dẫn một cách đáng kể. Vào năm 1996, một hệ thống truyền dẫn qua 11,300 km với tốc độ truyền 5-Gb/s đã minh họa cho điều này.

Thế hệ thứ năm bắt đầu với 02 khuynh hướng nghiên cứu. Nhóm 1 chú trọng vào việc gia tăng số lượng kênh truyền trong hệ thống WDM bằng cách mở rộng bước sóng sang băng tần L (1,570 – 1,610 nm) và băng tần S (1,485 – 1,520 nm), trong khi tại băng tần C, bước sóng truyền thống, từ 1,530 nm đến 1,564 nm. Nhóm 2 tập trung vào việc tăng tốc độ mỗi kênh truyền. Từ năm 2000, nhiều hệ thống truyền thông quang 10-Gb/s hoặc 40-Gb/s đã được thử nghiệm.

Tích số của tốc độ truyền và khoảng cách truyền, được định nghĩa bởi BL, được sử dụng để mô tả dung lượng truyền thông cho mỗi thế hệ, với B là tốc độ truyền và L là khoảng lặp. Hình 1.1 mô tả sự gia tăng BL theo sự phát triển của các hệ thống quang.

Hình 1.1 Sự gia tăng BL cùng với sự phát triển của các hệ thống quang. Mỗi thế hệ được phân biệt bởi một ký hiệu đặc biệt (Agrawal, 2002).

Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang

Các thành phần chung của một tuyến truyền dẫn quang được mô tả trên Hình 1.2. Các thành phần cơ bản là nguồn quang, sợi quang, và một bộ thu quang. Các thành phần phụ thêm là các sợi quang, các đầu nối, bộ lặp, bộ chia, và các khuếch đại quang.

Đầu phát bao gồm một nguồn sáng kết nối với mạch kích. Tại đầu phát, tín hiệu số từ nguồn thông tin được mã hóa và chuyển thành tín hiệu quang. Sau đó, tín hiệu quang này được đưa vào sợi cáp quang.

Đầu thu bao gồm một bộ thu quang, bộ khuếch đại và mạch phục hồi tín hiệu. Tại đầu thu, tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện, khuếch đại và chuyển qua mạch phục hồi tín hiệu để lấy lại thông tin số ban đầu.

Ngoài ra, còn có các thành phần phụ khác như các khuếch đại quang, các đầu nối, bộ ghép, và trạm lặp (để phục hồi dạng tín hiệu). Để phục vụ cho mục đích giám sát, một số tín hiệu có thể được lấy từ sợi quang thông qua các bộ ghép hoặc bộ nối.

Cáp quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của một đường truyền quang.

Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn quang (Keiser, 2000).

Ưu điểm của thông tin quang

So với cáp đồng, cáp quang có các ưu điểm sau:

Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng lặp và giảm số lượng trạm lặp.
Dải thông rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao do tần số sóng mang trong khoảng 10¹³ đến 10¹⁶ THz.

Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ: với đường kính nhỏ hơn sợi tóc người.
Cách điện và ít bị ảnh hưởng bởi trường điện từ do được chế tạo từ thủy tinh hoặc nhựa tổng hợp.
Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể do hầu như không có nhiễu giữa các sợi quang.
Khả năng bảo mật tín hiệu: do tín hiệu truyền trong sợi quang không bị phát xạ ra bên ngoài.
Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên.

Ứng dụng của sợi quang

Hệ thống truyền dẫn quang – truyền thông tin trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức truyền thông tin khác mà thông tin quang giữ vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến truyền dẫn xuyên lục địa, hệ thống đường trục quốc gia, v.v.

Công nghệ chế tạo sợi quang đơn mode có suy hao thấp ra đời đã góp phần giải quyết được vấn đề tăng chiều dài toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sẽ giúp cho chất lượng tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể.

Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay: