Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao Phần 1: Tổng quan kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 2: Các phần tử 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 TuÊn L©m 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TTQ 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang 1.2 Mơ hình chung hệ thống thơng tin quang – Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang – Các thành phần hệ thống thông tin quang – Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 1.3 Một số vấn đề vật lý kỹ thuật thông tin quang – Một số vấn đề ánh sáng – Một số vấn đề vật lý bán dẫn – Các hiệu ứng vật liệu quang 1.4 Các công nghệ kỹ thuật TTQ 1.1 LCH S PHT TRIN 1.1.1 Mô hình hệ thống th«ng tin quang 1.1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cỉ x-a 1.1.3 Một số mốc lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang đại 1.1.4 Một số hệ thống cáp quang giới Việt Nam 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIN 1.1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang Về bản, mô hình h thng thông tin quang đ-ợc hình sau: T/h ánh sáng T/h phát Bộ phát quang Môi tr-ờng truyền dẫn Bộ thu quang T/h thu Hình 1.1 Mô hình h thng thông tin quang 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cỉ x-a Tõ xa x-a ng-êi ®· biÕt sư dơng kỹ thuật thụng tin quang truyn tin Mô hình h thng th«ng tin quang người cổ xưa gåm: TÝn hiƯu phát: - Tín hiệu lửa hay tín hiệu khói đ-ợc m· hãa Bé ph¸t quang: - TÝn hiƯu lưa, - TÝn hiƯu khãi TÝn hiƯu trun dÉn: - ¸nh s¸ng Môi tr-ờng truyền dẫn: - Khí Bộ phát quang: - M¾t ng-êi 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cỉ x-a - Thời kỳ đế quốc La mà Hy lạp cổ đại: Ng-ời ta sử dụng tín hiệu lưa trun qua c¸c ngän nói hay qua c¸c th¸p để truyền thông tin mệnh lệnh, phối hợp tác chiến nh- kết trận đánh - Cách 2500 năm, ng-ời ta đà phát minh thông tin dùng đuốc để mà hoá thông tin truyền dẫn thông tin Các trạm phát thu đ-ợc xây dựng nh- hai t-ờng đỉnh cao Trên t-ờng có nhiều lỗ, lỗ đặt đuốc Tùy thuộc vào số l-ợng đuốc đ-ợc đốt lên t-ờng bên phải bên trái (mà hoá thông tin), thông tin đ-ợc đ-ợc truyền giải mà - Từ năm 150 sau công nguyên, ng-ời La mà đà có mạng thông tin tín hiệu khói, với tổng chiều dài khoảng 4500 km Đây mạng tín hiệu quang với ký hiệu khói đà đ-ợc quy định tr-ớc Mạng thông tin gồm tháp nằm tầm nhìn Hàng trăm tháp nh- sử dụng cho thông báo tín hiệu quân cần thiết cách nhanh chãng 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cỉ x-a Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu Hệ thống truyền tín hiệu qua khoảng cách 200 km vịng 15 phút Hình 1.2 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.3 Một số mốc lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang hin i Có h-ớng nghiên cứu phát triển: Nghiên cứu chế tạo sợi quang, Nghiên cứu chế tạo nguồn phát ánh sáng, Nghiên cứu phát triển hệ thống (h-ớng tiến hành độc lập đồng thời, h-ớng thứ đ-ợc thực sở h-íng trªn)  Các hệ truyền dẫn quang lịch sử phát triển 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.3 Một số mốc lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang đại  Một số mốc lịch sử phát triển sợi quang - Năm1870: Thí nghiệm John Tyndall chứng minh ánh sáng dẫn theo vịi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần - Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn ông thủy tinh - Vào năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins Nariorger Kapany phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi bên để ánh sáng lan truyền lớp lớp vỏ bao xung quanh bên lớp lõi, nhằm giam giữ ánh sáng truyền lp lừi - 1966: Sợi quang đầu tiên, suy hao: 1000dB/km (Corning Glass) - 1970: Sỵi quang, suy hao: 20dB/km (Corning Glass): Kao vµ Hockham 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1.3 Một số mốc lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang đại  Một số mốc lịch sử phát triển sợi quang (tiếp theo) - 1975: Sỵi quang, suy hao: 2dB/km (Corning Glass) - 1976: Sỵi quang, suy hao: 0,5dB/km ë =1,3m (NhËt Bản) - 1979: Sợi quang, suy hao: 0,2dB/km =1,55m (Nhật Bản) - 1982: Sợi SM, suy hao 0,16 dB/km ( giíi h¹n lý thut) (Corning Glass) 10  Cơng nghệ truyền dẫn quang  Công nghệ điều khiển quản lý tài nguyên mạng (GMPLS) * Các giao thức GMPLS  Giao thức quản lý tuyến Nhằm đảm bảo thơng tin nhãn GMPLS xác phần tử mạng (NE) cần phải xác định cổng kết nối chúng LMP hoạt động hệ thống lân cận cung cấp việc quản lý kênh điều khiển, kiểm tra việc kết nối tuyến, quản lý đặc tính tuyến lập lỗi - Quản lý kênh điều khiển: thiết lập tham số tuyến đảm bảo an toàn cho tuyến - Kiểm tra việc kết nối tuyến: Đảm bảo kết nối vật lý tuyến nút lân cận, sử dụng PING - tin kiểm tra - Quản lý đặc tính tuyến: Xác định đặc tính tuyến nút gần kề - Cơ lập lỗi: Cô lập lỗi đơn lõi kép miền quang 143 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TTQ 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Các loại chuyển mạch quang Trên quan điểm phân loại chuyển mạch quang theo trường chuyển mạch có loại chuyển mạch quang là: - Chuyển mạch phân chia theo thời gian, - Chuyển mạch phân chia theo không gian, - Chuyển mạch phân chia theo bước sóng, - Chuyển mạch phân chia theo mã - Chuyển mạch hỗn hợp 144 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Các loại chuyển mạch quang Trên quan điểm phân loại chuyển mạch quang theo đặc tính truyền dẫn tín hiệu có loại chuyển mạch quang là: - Chuyển mạch kênh quang, - Chuyển mạch gói quang, - Chuyển mạch chùm quang Trong chuyển mạch kênh quang thực chuyển mạch theo sợi quang hay bước sóng, bao gồm: - Chuyển mạch sợi quang (Fiber Switching), - Chuyển mạch bước sóng (Wavelenght Switching), - Chuyển mạch dải bước sóng (Waveband Switching) 145 1.3 Các cơng nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Các loại chuyển mạch quang Trong chuyển mạch quang hỗn hợp có loại sau: - Chuyển mạch W-S, - Chuyển mạch W-T, - Chuyển mạch S-T, - Chuyển mạch W-T-S-T-W, - Chuyển mạch T-W-S-W-T, - Chuyển mạch S-T-W-T-S, - Chuyển mạch T-S-W-S-T, - Chuyển mạch W-S-T-S-W, - Chuyển mạch S-W-T-W-S Trong đó: W - Chuyển mạch bước sóng, T - Chuyển mạch thời gian, S - Chuyển mạch không gian 146 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Chuyển mạch quang phân chia theo không gian loại chuyển mạch mà trình kết nối vật lý đường dẫn sóng ánh sáng từ sợi đầu vào đến sợi đầu vào khác Mơ hình mạch quang phân chia theo khơng gian mơ tả hình 1.26 Trong cổng lối vào I1 - IN nối đến cổng đầu O1ON tuyến Tuyến có độ rộng dải thơng tốc độ với dòng vào Mỗi kênh phải chọn tuyến tuyến để hướng tới cổng mong muốn Hình 1.56 Mơ hình chuyển mạch quang phân chia theo không gian 147 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Một số giải pháp công nghệ chuyển mạch quang phân chia theo khơng gian Hiện có nhiều cơng nghệ chế tạo phần tử cho chuyển mạch không gian quang như: - Các phần tử quang, - Các phần tử điện quang, - Các phần tử nhiệt quang - Các phần tử âm quang, … 148 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Khái niệm Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian thực sở kênh tín hiệu quang ghép theo thời gian Tức là, kiểu chuyển mạch sử dụng cho hệ thống ghép kênh quang theo thời gian Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian q trình chuyển tín hiệu quang từ khe thời gian sang khe thời gian khác theo yêu cầu Do photon không dễ lưu giữ phục hồi sau trễ nên việc chuyển mạch phân chia theo thời gian cần phải có nhớ quang (hiện người ta sử dụng trễ quang) 149 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Sơ đồ khối chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Bộ tách kênh theo thời gian Bộ ghép kênh theo thời gian Đường dây trễ Hình 1.57 Sơ đồ khối chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Tầng đầu tách kênh theo thời gian, thực tách khe thời gian kênh đưa đến trễ quang tương ứng Tiếp theo đó, khe thời gian làm trễ theo yêu cầu đưa đến ghép kênh theo thời gian để ghép thành khung tín hiệu 150 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Ưu nhược điểm chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian có ưu điểm tương thích với hệ thống truyền dẫn quang TDM Tuy nhiên, chuyển mạch đòi hỏi tốc độ hoạt động nhớ tách ghép thời gian phải nhanh, đồng thời đòi hỏi khắt khe đồng khe 151 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng Khái niệm Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng tức bước sóng λi tín hiệu ghép kênh bước sóng biến đổi thành bước sóng λj khác theo nhu cầu Để chuyển mạch bước sóng quang cần có biến đổi bước sóng (WC) Chức biến đổi bước sóng mang liệu đầu vào thành bước sóng đầu dải thông hệ thống Các thiết bị WC thiết bị quang - điện hay hoàn toàn quang Sử dụng loại thiết bị phụ thuộc vào yêu cầu hệ thống Tuy nhiên, WC hồn tồn quang có nhiều ưu điểm vượt trội có xu hướng sử dụng rộng rãi Cần phân biệt chuyển mạch bước sóng với định tuyến bước sóng Định tuyến bước sóng lợi dụng khác bước sóng để thực chọn đường 152 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng Sơ đồ khối chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 1 n Bộ tách kênh theo bước sóng 1 WC n WC n 1 Bộ ghép kênh theo bước sóng 1 n Hình 1.58 Sơ đồ khối chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 153 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch sợi quang Chuyển mạch sợi quang hoạt động dựa cấu khí tinh vi (như robot) với độ xác cao Đây loại chuyển mạch quang chế tạo tính đơn giản Các sợi quang đầu vào nối với sợi quang đầu qua ghép nối khí (connector) Việc điều khiển kết nối thực tự động thao tác nhân công Do có kết cấu khí nên loại chuyển mạch có kích thước cồng kênh, đáp ứng chậm giá thành cao, kết cấu khí địi hỏi xác cao Loại chuyển mạch quang ứng dụng thiết bị OXC ngày Tuy nhiên, đáp ứng chậm trước yêu cầu điều khiển nên loại chuyển mạch thường dùng khu vực mạng truy nhập, kết nối sợi quang đến khách hàng 154 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch gói quang Ngày nhà khai thác mong muốn xây dựng sở hạ tầng mạng hướng đến mạng toàn quang điểm mấu chốt để thực kế hoạch phần tử chuyển mạch tồn quang dựa cơng nghệ chuyển mạch gói quang Tuy nhiên, cơng nghệ chuyển mạch gói quang trình nghiên cứu thử nghiệm Chuyển mạch gói quang cấu hình để hoạt động gói có độ dài cố định thay đổi Do đó, có hai loại chuyển mạch gói quang bản: - Chuyển mạch gói quang “phân khe”, - Chuyển mạch gói quang “khơng phân khe” Chuyển mạch gói quang “phân khe” xử lý gói có độ dài cố định yêu cầu tái cấu hình ưu tiên chuyển mạch gói quang để thu nhận tải Chuyển mạch gói quang “khơng phân khe” xử lý gói cố độ dài thay đổi, nhiên chuyển mạch gói quang khơng cấu hình ưu tiên nên nảy sinh vấn đề xung đột 155 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch chùm quang Chuyển mạch chùm quang (OBS) chế chuyển mạch hiệu so với chuyển mạch gói quang Việc dành trước băng tần đơn hướng, nhờ loại bỏ yêu cầu đáp ứng tin tức khắc Các gói tổng hợp chùm số liệu cho phép giảm việc xử lý mào đầu tăng tốc độ toàn mạng Bằng cách sử dụng chùm kỹ thuật đặt trước băng tần đơn hướng từ đầu cuối đến đầu cuối, OBS loại bỏ đòi hỏi xử lý mào đầu nút mạng trung gian thiết lập phần mạng trực tiếp từ nguồn đến đích Xu hướng thời phát triển OBS; nhiên mà kỹ thuật đệm quang hoàn thiện OPS trở thành thơng dụng OBS, OPS dựa mơ hình mạng chuyển mạch phi kết nối miền điện thời 156 1.3 Các công nghệ kỹ thuật TTQ  Công nghệ chuyển mạch quang * Chuyển mạch quang phân chia theo mã Chuyển mạch quang phân chia theo mã (OCDMA) thực sở công nghệ ghép kênh quang phân chia theo mã Công nghệ nghiên cứu Chuyển mạch quang phân chia theo mã có số đặc điểm sau: - Các mã giải mã quang thực thiết bị quang đơn giản phương pháp OTDM WDM - Không yêu cầu hệ thống điều khiển đồng thời gian phương pháp OTDM - Có khả kết nối thuận tiện tới mạng khơng dây có dây Chuyển mạch quang phân chia theo mã dựa nguyên tắc tự định hướng thiết bị chuyển mạch khơng tuyến tính Tuy nhiên, chuyển mạch quang phân chia theo mã không ưa chuộng mặt cấu trúc, kiểu chuyển mạch sử dụng 157 ... TTQ 1. 1 LỊCH SỬ PHT TRIN 1. 1 .1 Mô hình hệ thống thông tin quang 1. 1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cæ x-a 1. 1.3 Một số mốc lịch sử phát triển kỹ thuật thông tin quang đại 1. 1.4 Một... thu quang T/h thu Hình 1. 1 Mô hình h thng thông tin quang 1. 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1. 1.2 Mét sè hƯ thèng th«ng tin quang cđa ng-êi cỉ x-a Tõ xa x-a ng-êi ®· biÕt sư dơng kỹ thuật thơng tin quang. .. phát quang sử dụng kỹ thuật thông tin quang: Để đáp ứng yêu cầu trên, kỹ thuật thông tin quang, ng-ời ta th-ờng sử dụng phần tử biến đổi điện -quang phần tử phát quang bán dẫn: - LED (Light Emitting