Công dụng của cáp quang trong thông tin liên lạc là gì?

Thông tin liên lạc bằng sợi quang là một phương pháp truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác bằng cách gửi các xung ánh sáng hồng ngoại qua một sợi quang. Ánh sáng là một dạng sóng mang được điều chế để mang thông tin. Cáp quang được ưu tiên hơn cáp điện khi yêu cầu băng thông cao, khoảng cách xa hoặc khả năng miễn nhiễm với nhiễu điện từ. Loại giao tiếp này có thể truyền thoại, video và đo từ xa thông qua mạng cục bộ hoặc trên khoảng cách xa.

Cáp quang được nhiều công ty viễn thông sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại, thông tin liên lạc Internet, truyền hình cáp. Các nhà nghiên cứu tại Bell Labs đã đạt được sản phẩm băng thông-khoảng cách kỷ lục hơn 100 petabit × km / giây bằng cách sử dụng giao tiếp cáp quang.

Các hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang hiện đại thường bao gồm một máy phát quang để chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để gửi qua sợi quang, một cáp chứa nhiều sợi quang được định tuyến qua các ống dẫn ngầm và các tòa nhà, nhiều loại bộ khuếch đại, và một máy thu quang để khôi phục tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện. Thông tin được truyền đi thường là thông tin kỹ thuật số được tạo ra bởi máy tính, hệ thống điện thoại và các công ty truyền hình cáp.

Công dụng của cáp quang

Cáp quang được các công ty viễn thông sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại, thông tin liên lạc Internet và tín hiệu truyền hình cáp. Nó cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác, bao gồm y tế, quốc phòng, chính phủ, công nghiệp và thương mại. Ngoài việc phục vụ cho các mục đích viễn thông, nó còn được sử dụng làm đường dẫn ánh sáng, cho các công cụ hình ảnh, laser, hydrophone cho sóng địa chấn, SONAR, và như các cảm biến để đo áp suất và nhiệt độ.

Do suy hao và nhiễu thấp hơn, cáp quang có lợi thế hơn so với dây đồng trong các ứng dụng đường dài, băng thông cao. Tuy nhiên, việc phát triển cơ sở hạ tầng trong các thành phố là tương đối khó khăn và tốn nhiều thời gian, và các hệ thống cáp quang có thể phức tạp và tốn kém để lắp đặt và vận hành. Do những khó khăn này, các hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang ban đầu chủ yếu được lắp đặt trong các ứng dụng đường dài, nơi chúng có thể được sử dụng hết công suất truyền dẫn, bù lại chi phí tăng lên. Giá của truyền thông cáp quang đã giảm đáng kể kể từ năm 2000.

Giá cung cấp cáp quang đến tận nhà hiện đã trở nên hiệu quả hơn về chi phí so với việc triển khai mạng dựa trên đồng. Giá đã giảm xuống còn 850 đô la cho mỗi người đăng ký ở Mỹ và thấp hơn ở các nước như Việt Nam, nơi chi phí đào thấp và mật độ nhà ở cao.

Máy phát

Bộ truyền quang được sử dụng phổ biến nhất là các thiết bị bán dẫn như điốt phát quang (đèn LED) và điốt laze. Sự khác biệt giữa đèn LED và điốt laser là đèn LED tạo ra ánh sáng không mạch lạc, trong khi điốt laser tạo ra ánh sáng mạch lạc. Để sử dụng trong thông tin liên lạc quang, máy phát quang bán dẫn phải được thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả và đáng tin cậy, đồng thời hoạt động trong dải bước sóng tối ưu và được điều chế trực tiếp ở tần số cao.

Ở dạng đơn giản nhất, đèn LED là một điểm nối p-n phân cực thuận, phát ra ánh sáng thông qua sự phát xạ tự phát, một hiện tượng được gọi là điện phát quang. Ánh sáng phát ra không mạch lạc với độ rộng phổ tương đối rộng 30-60 nm. Việc truyền ánh sáng LED cũng không hiệu quả, với chỉ khoảng 1% công suất đầu vào, hoặc khoảng 100 microwatts, cuối cùng được chuyển đổi thành công suất phóng đã được ghép vào sợi quang. Tuy nhiên, do thiết kế tương đối đơn giản, đèn LED rất hữu ích cho các ứng dụng chi phí thấp.

Đèn LED truyền thông thường được làm từ Indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) hoặc gallium arsenide (GaAs). Vì đèn LED InGaAsP hoạt động ở bước sóng dài hơn đèn LED GaAs (1,3 micromet so với 0,81–0,87 micromet), phổ đầu ra của chúng, trong khi năng lượng tương đương rộng hơn về bước sóng với hệ số khoảng 1,7. Độ rộng phổ lớn của đèn LED có khả năng phân tán sợi quang cao hơn, hạn chế đáng kể sản phẩm khoảng cách tốc độ bit của chúng (một thước đo phổ biến về tính hữu dụng). Đèn LED chủ yếu phù hợp cho các ứng dụng mạng cục bộ với tốc độ bit từ 10–100 Mbit / s và khoảng cách truyền dẫn vài km. Đèn LED cũng đã được phát triển sử dụng một số giếng lượng tử để phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau trên một phổ rộng và hiện đang được sử dụng cho các mạng WDM (Ghép kênh phân chia theo bước sóng) cục bộ.

Ngày nay, đèn LED đã được thay thế phần lớn bằng các thiết bị VCSEL (Laser phát ra bề mặt khoang dọc), cung cấp các đặc tính về tốc độ, công suất và quang phổ được cải thiện, với mức chi phí tương tự. Các thiết bị VCSEL thông thường kết hợp tốt với cáp quang đa chế độ.

Tiền kỹ thuật số

Bộ phát hệ thống giao tiếp quang bao gồm bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC), bộ khuếch đại trình điều khiển và Bộ điều chế Mach – Zehnder. Việc triển khai các định dạng điều chế cao hơn (> 4QAM) hoặc tốc độ Baud cao hơn (> 32 GBaud) làm giảm hiệu suất hệ thống do các hiệu ứng của máy phát tuyến tính và phi tuyến tính. Các hiệu ứng này có thể được phân loại theo các biến dạng tuyến tính do giới hạn băng thông DAC và độ lệch I / Q của máy phát cũng như các hiệu ứng phi tuyến tính gây ra bởi độ bão hòa độ lợi trong bộ khuếch đại trình điều khiển và bộ điều chế Mach-Zehnder. Phân bổ kỹ thuật số chống lại các tác động làm suy giảm và cho phép tốc độ Baud lên đến 56 GBaud và các định dạng điều chế như 64QAM và 128QAM với các thành phần có sẵn trên thị trường. Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số máy phát thực hiện phân bổ kỹ thuật số trên các tín hiệu đầu vào bằng cách sử dụng mô hình máy phát nghịch đảo trước khi tải các mẫu lên DAC.

Các phương pháp phân bổ tiền kỹ thuật số cũ hơn chỉ giải quyết các hiệu ứng tuyến tính. Các ấn phẩm gần đây cũng đã bù đắp cho các biến dạng phi tuyến tính. Berenguer và cộng sự mô hình hóa bộ điều chế Mach – Zehnder như một hệ thống Wiener độc lập và DAC và bộ khuếch đại trình điều khiển được mô hình hóa bởi một loạt Volterra bất biến thời gian bị cắt ngắn. Khanna và cộng sự đã sử dụng đa thức bộ nhớ để mô hình hóa các thành phần bộ truyền cùng nhau. Trong cả hai cách tiếp cận, chuỗi Volterra hoặc hệ số đa thức bộ nhớ được tìm thấy bằng cách sử dụng kiến ​​trúc học gián tiếp. Duthel và cộng sự ghi lại cho mỗi nhánh của bộ điều chế Mach-Zehnder một số tín hiệu ở các cực và pha khác nhau. Các tín hiệu được sử dụng để tính toán trường quang học. Các trường trong pha và trường vuông góc tương quan chéo xác định độ lệch thời gian. Đáp ứng tần số và các hiệu ứng phi tuyến tính được xác định bởi kiến ​​trúc học gián tiếp.

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền nhiều kênh thông tin qua một sợi quang duy nhất bằng cách gửi nhiều chùm ánh sáng có bước sóng khác nhau qua sợi quang, mỗi chùm được điều chế bằng một kênh thông tin riêng biệt. Điều này cho phép tăng dung lượng khả dụng của sợi quang. Điều này đòi hỏi một bộ ghép kênh phân chia bước sóng trong thiết bị phát và một bộ tách kênh (về cơ bản là một máy quang phổ) trong thiết bị nhận. Cách tử ống dẫn sóng dạng mảng thường được sử dụng để ghép kênh và phân kênh trong WDM. Sử dụng công nghệ WDM hiện đã có sẵn trên thị trường, băng thông của sợi quang có thể được chia thành 160 kênh [30] để hỗ trợ tốc độ bit kết hợp trong khoảng 1,6 Tbit / s.

Sự tái tạo

Khi một liên kết truyền thông phải trải qua một khoảng cách lớn hơn khả năng của công nghệ cáp quang hiện có, tín hiệu phải được tái tạo tại các điểm trung gian trong liên kết bằng bộ lặp thông tin quang. Các bộ lặp làm tăng thêm chi phí đáng kể cho một hệ thống thông tin liên lạc, và do đó các nhà thiết kế hệ thống cố gắng giảm thiểu việc sử dụng chúng. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ thông tin liên lạc bằng cáp quang và cáp quang đã làm giảm sự suy giảm tín hiệu đến nay chỉ cần tái tạo tín hiệu quang học trong khoảng cách hàng trăm km. Điều này đã làm giảm đáng kể chi phí của mạng quang học, đặc biệt là trên các tuyến dưới biển, nơi chi phí và độ tin cậy của bộ lặp là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của toàn bộ hệ thống cáp.

Những tiến bộ chính góp phần vào những cải tiến hiệu suất này là quản lý phân tán, nhằm tìm cách cân bằng các tác động của phân tán với phi tuyến tính; và soliton, sử dụng các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang để cho phép lan truyền không phân tán trong khoảng cách dài.

Xem thêm: thiết kế cáp mạng cho toà nhà văn phòng, cáp quang OM4 bán tại Việt Nam, hệ thống cáp đồng UTP có tốt không