Nội dung môn học thông tin quang nâng cao - Phần 1 docx

Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao
Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Văn Võ
Phần 4: Hệ thống thông tin quang
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
Phần 5: Một số công nghệ quang tiên tiến
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
1
1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TTQ
1.1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang
1.2. Mô hình chung của hệ thống thông tin quang
– Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang
– Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
– Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang
1.3. Một số vấn đề vật lý cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang
– Một số vấn đề cơ bản về ánh sáng
– Một số vấn đề cơ bản trong vật lý bán dẫn
– Các hiệu ứng cơ bản của vật liệu quang
1.4. Các công nghệ trong kỹ thuật TTQ
2
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.1. M« h×nh hÖ thèng th«ng tin quang
1.1.2. Mét sè hÖ thèng th«ng tin quang cña ng-êi cæ x-a
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
3

1.1. LCH S PHT TRIN
1.1.1. Mô hình hệ thống thông tin quang
Về cơ bản, mô hình h thng thông tin quang đ-ợc chỉ ra ở hình sau:
4
Hình 1.1. Mô hình h thng thông tin quang
Bộ thu
quang
Bộ phát
quang
Môi tr-ờng truyền dẫn
T/h phát T/h thu
T/h ánh
sáng
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Tõ xa x-a con ng-êi ®· biÕt sö dông kỹ thuật thông tin quang để truyền tin.
M« h×nh hệ thống th«ng tin quang của người cổ xưa gåm:
TÝn hiÖu ph¸t:
- TÝn hiÖu löa hay tÝn hiÖu khãi ®-îc m· hãa
Bé ph¸t quang:
- TÝn hiÖu löa,
- TÝn hiÖu khãi
TÝn hiÖu truyÒn dÉn:
- ¸nh s¸ng
M«i tr-êng truyÒn dÉn:
- KhÝ quyÓn
Bé ph¸t quang:
- M¾t ng-êi.
5
1.1.2. Mét sè hÖ thèng th«ng tin quang cña ng-êi cæ x-a
- Thời kỳ đế quốc La mã và Hy lạp cổ đại: Ng-ời ta sử dụng các tín hiệu lửa

truyền qua các ngọn núi hay qua các tháp để truyền thông tin về các mệnh
lệnh, phối hợp tác chiến cũng nh- kết quả của các trận đánh.
- Cách đây 2500 năm, ng-ời ta đã phát minh ra thông tin dùng đuốc để mã hoá
thông tin và truyền dẫn thông tin. Các trạm phát và thu đ-ợc xây dựng nh- hai
bức t-ờng trên các đỉnh cao. Trên mỗi bức t-ờng có nhiều lỗ, trong các lỗ đặt
các ngọn đuốc. Tùy thuộc vào số l-ợng đuốc đ-ợc đốt lên tại t-ờng bên phải
và bên trái (mã hoá thông tin), thông tin đ-ợc đ-ợc truyền đi và giải mã.
- Từ năm 150 sau công nguyên, ng-ời La mã đã có một mạng thông tin tín hiệu
khói, với tổng chiều dài khoảng 4500 km. Đây là mạng tín hiệu quang với các
ký hiệu khói đã đ-ợc quy định tr-ớc. Mạng thông tin này gồm các tháp nằm
trong tầm nhìn của nhau. Hàng trăm ngọn tháp nh- vậy sử dụng cho thông báo
các tín hiệu quân sự cần thiết một cách nhanh chóng.
1.1. LCH S PHT TRIN
6
1.1.2. Một số hệ thống thông tin quang của ng-ời cổ x-a
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người
Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo
quang (optical telegraph).
Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với
các đèn báo hiệu trên đó. Hệ thống đã
truyền được tín hiệu qua khoảng cách
200 km trong vòng 15 phút.
1.1.2. Mét sè hÖ thèng th«ng tin quang cña ng-êi cæ x-a
Hình 1.2
7
1.1. LCH S PHT TRIN
Có 3 h-ớng nghiên cứu và phát triển:
Nghiên cứu chế tạo sợi quang,
Nghiên cứu chế tạo nguồn phát ánh sáng,

Nghiên cứu phát triển hệ thống.
(h-ớng 1 và 2 có thể tiến hành độc lập và đồng thời, còn
h-ớng thứ 3 đ-ợc thực hiện trên cơ sở của 2 h-ớng trên)
Cỏc th h truyn dn quang trong lch s phỏt trin
1.1.3. Mt s mc trong lch s phỏt trin k thut thụng tin quang
hin i
8
- Năm1870: Thí nghiệm của John Tyndall đã chứng minh được ánh sáng có
thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn
phần
- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về
hệ thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.
- Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã
phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi bên trong để ánh sáng lan
truyền trong lớp này và lớp vỏ bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm giam
giữ ánh sáng chỉ truyền ở trong lớp lõi.
- 1966: Sîi quang ®Çu tiªn, suy hao: 1000dB/km (Corning Glass)
- 1970: Sîi quang, suy hao: 20dB/km (Corning Glass): Kao vµ Hockham
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang
hiện đại
 Một số mốc trong lịch sử phát triển sợi quang
9
- 1975: Sîi quang, suy hao: 2dB/km (Corning Glass)
- 1976: Sîi quang, suy hao: 0,5dB/km ë =1,3m (NhËt B¶n)
- 1979: Sîi quang, suy hao: 0,2dB/km ë =1,55m (NhËt B¶n)
- 1982: Sîi SM, suy hao 0,16 dB/km ( giíi h¹n lý thuyÕt)
(Corning Glass)
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang

hiện đại
 Một số mốc trong lịch sử phát triển sợi quang (tiếp theo)
10
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang
hiện đại
 Một số mốc trong lịch sử phát triển sợi quang (tiếp theo)
Hình 1.3
11
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Một số mốc trong lịch sử phát triển nguồn phát quang
 1960: LD b¸n dÉn ®Çu tiªn (IBM, Lincoln Lab)
 1970: LD ho¹t ®éng nhiÖt ®é phßng
 1976: LD b¸n dÉn ë  = 1,3m vµ 1,55m
 1989: LD b¸n dÉn phæ cùc hÑp
12
Dung l-îng hÖ thèng ph¸t triÓn m¹nh kho¶ng sau 1992.
- 1977: sîi ®a mode (850nm, IM/DD) 45-90 Mb/s.
- 1980: sîi ®¬n mode (1300nm, IM/DD) 140-280 Mb/s.
- 1984: sîi ®¬n mode (1550nm, coherent) 2,5 Gb/s.
- 1992: sîi ®¬n mode/DWDM (C-band, IM/DD) 400 Gb/s.
- 2001: sîi ®¬n mode/DWDM+RA (C&L band, IM/DD) 2400 Gb/s
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Một số mốc trong lịch sử phát triển hệ thống
13
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Các thế hệ truyền dẫn quang trong lịch sử phát triển
Thế hệ truyền dẫn quang đầu tiên: hoạt động ở cửa sổ bước sóng
800nm; sử dụng sợi quang đa mode truyền dẫn nên suy hao lớn và
tốc độ bit chưa cao (hoạt động ở tốc độ là 45 Mb/s) và cho phép
khoảng lặp đến 10 km.
Trong lịch sử phát triển, đến nay kỹ thuật truyền dẫn quang đã trải
qua 5 thế hệ phát triển:
14
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Các thế hệ truyền dẫn quang trong lịch sử phát triển
Thế hệ thứ 2: Sự dịch chuyển cửa sổ bước sóng hoạt động của hệ thống
từ 800nm sang 1300nm cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ
thống lên rõ rệt.
Trong thế hệ truyền dẫn quang đầu tiên, tất cả các ứng dụng đều sử dụng
sợi đa mode thì đến năm 1984, sợi đơn mode đã được thay thế hầu hết
trong các đường trung kế cự li dài (khoảng lặp lên đến 50 km).
Sợi đơn mode có suy hao thấp hơn và băng thông lớn hơn đáng kể so với
sợi đa mode (tốc độ truyền dẫn lên đến 1,7 Gb/s).
15
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Các thế hệ truyền dẫn quang trong lịch sử phát triển
Thế hệ thứ 3: Sự dịch chuyển cửa sổ bước sóng hoạt động của hệ thống từ
1300nm sang 1550nm. Các hệ thống truyền dẫn quang hoạt động ở cửa sổ
bước sóng 1550nm có suy hao thấp nhất nhưng lại chịu ảnh hưởng của tán sắc

lớn hơn so với khi hoạt động ở cửa sổ 1300nm.
Từ khi cách tử Bragg sợi quang được sử dụng như là một phương pháp bù tán
sắc trong miền quang, các thế hệ truyền dẫn quang tiếp sau này đã tăng được
tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn một cách vượt bậc.
Hệ thống thế hệ thứ ba hoạt động ở 2,5Gb/s (thương mại vào năm 1990), hệ
thống này có khả năng điều hành với một tốc độ bit lên đến 10 Gb/s
Hệ thống truyền dẫn quang ở bước sóng 1550nm sử dụng cả kỹ thuật tách
sóng trực tiếp và tách sóng coherent. Tách sóng coherent cải thiện đáng kể độ
nhạy máy thu và tính chọn lọc bước sóng so với kỹ thuật tách sóng trực tiếp.
16
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Các thế hệ truyền dẫn quang trong lịch sử phát triển
Thế hệ thứ 4: sử dụng các khuếch đi quang cho gia tăng khoảng cách lặp lại
và công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng –WDM để tăng
dung lượng.
Năm 1991, thử nghiệm hệ thống truyền dẫn quang truyền dữ liệu qua 21.000
km là 2,5 s / Gb, và hơn 14.300 km tại 5 Gb/s, sử dụng một cấu hình vòng.
Năm 1996, triển khai hệ thống tốc độ 5 Gb/s truyền qua 11.300 km xuyên Đại
Tây Dương và từ đó một số lượng lớn hệ thống truyền dẫn quang biển tốc độ
cao đã được triển khai trên toàn thế giới.
Năm 2000, thử nghiệm hệ thống WDM với 82 kênh bước sóng, trong đó mỗi
bước sóng hoạt động ở 40 Gb/s và truyền qua hơn 3000 km.
17
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.3. Một số mốc trong lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin
quang hiện đại
 Các thế hệ truyền dẫn quang trong lịch sử phát triển
Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin sợi quang là có liên quan với

việc mở rộng vùng bước sóng trên đó một hệ thống WDM có thể hoạt
động đồng thời.
Các cửa sổ bước sóng được sử dụng là băng C, L và S.
Kỹ thuật khuếch đại Raman được sử dụng cho tín hiệu ở cả ba băng tần
sóng.
Bắt đầu từ năm 2000, nhiều thí nghiệm được sử dụng các kênh hoạt
động tại 40 Gb/s; di cư đối với 160 s / Gb cũng có khả năng trong tương
lai.
Kỹ thuật solitons cũng được nghiên cứu áp dụng.
18
 Một số hệ thống cáp quang trên thế giới (2008)
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
Hình 1.4
19
 Dung lượng một số hệ thống cáp quang trên thế giới (2008)
Hình 1.5
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
20
 Một số hệ thống cáp quang biển trên thế giới (2008)
Hình 1.6
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
21
 Một số hệ thống cáp quang biển giữa Mỹ và châu Âu
Hình 1.7
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
22
 Một số hệ thống cáp quang của Việt Nam
Năm 1992, Việt Nam xây dựng tuyến cáp quang đầu tiên: tuyến trục Bắc
Nam dài hơn 1700km, với dung lượng 34 Mb/s.
Hiện nay, mạng truyền tải thông tin quang đã trở thành mạng truyền tải

chủ đạo của mạng viễn thông Việt Nam. Dung lượng
Mạng thông tin quang của Việt Nam đã rộng khắp trong cả nước từ kết
nối mạng quốc tế, đường trục, liên tỉnh, mạng vùng đến các mạng truy
nhập.
Dung lượng của các tuyến đường trục, liên tỉnh, mạng vùng rất lớn từ
hàng chục đến vài trăm Gb/s. Đặc biệt, tuyến trục Bắc – Nam lên tới hàng
ngàn Gb/s.
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
23
 Một số hệ thống cáp quang của Việt Nam
Mạng truyền dẫn quang của VN được phân thành 3 cấp :
- Cấp quốc tế: hệ thống truyền dẫn quốc tế chủ yếu do công ty VNPT và
Viettel quản lý, vận hành và khai thác.
- Cấp quốc gia (liên tỉnh): bao gồm các tuyến truyền dẫn đường trục,
tuyến truyền dẫn liên tỉnh cấp vùng.
- Cấp nội tỉnh: bao gồm các tuyến truyền dẫn nội tỉnh do các tỉnh, thành
phố quản lý, vận hành và khai thác.
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
24
 Một số hệ thống cáp quang của Việt Nam
Hiện nay, ở Việt Nam có 3 nhà khai thác chính có mạng truyền tải quang
với dung lượng lớn. Đó là:
- Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT),
- Tổng công ty Viễn thông Quân đội (VietTel) và
- Công ty Viễn thông điện lực (EVN-Telecom).
1.1.4. Một số hệ thống cáp quang trên thế giới và ở Việt Nam
25