Nguyên lý chuyển đổi và truyền thông tin trên sợi quang

Các đường truyền thông hiện đại dành cho việc truyền thông tin trên một khoảng cách dài thường chỉ là các đường quang, do hiệu quả khá cao của công nghệ này, chẳng hạn như nó đã được chứng minh thành công trong nhiều năm như một phương tiện cung cấp truy cập Internet băng thông rộng .

Bản thân sợi quang bao gồm một lõi thủy tinh được bao quanh bởi một lớp vỏ có chỉ số khúc xạ thấp hơn chiết suất của lõi. Chùm ánh sáng chịu trách nhiệm truyền thông tin dọc theo đường truyền dọc theo lõi của sợi quang, phản xạ trên đường đi của nó từ lớp bọc và do đó không đi ra ngoài đường truyền.

Nguồn sáng dạng chùm thường là diode hoặc laser bán dẫn, trong khi bản thân sợi quang, tùy thuộc vào đường kính lõi và phân bố chỉ số khúc xạ, có thể là chế độ đơn hoặc đa chế độ.

Sợi quang trong các đường truyền thông vượt trội hơn so với các phương tiện truyền thông điện tử, cho phép truyền dữ liệu kỹ thuật số tốc độ cao và không mất dữ liệu trên một khoảng cách dài.

Về nguyên tắc, các đường quang có thể tạo thành một mạng độc lập hoặc dùng để hợp nhất các mạng hiện có — các phần của đường cao tốc sợi quang được thống nhất về mặt vật lý ở cấp độ sợi quang hoặc về mặt logic — ở cấp độ giao thức truyền dữ liệu.

Tốc độ truyền dữ liệu qua đường quang có thể được đo bằng hàng trăm gigabit mỗi giây, ví dụ như tiêu chuẩn Ethernet 10 Gbit, đã được sử dụng trong nhiều năm trong các cấu trúc viễn thông hiện đại.

Năm phát minh ra sợi quang học được coi là năm 1970, khi Peter Schultz, Donald Keck và Robert Maurer—các nhà khoa học tại Corning—phát minh ra sợi quang suy hao thấp, mở ra khả năng sao chép hệ thống cáp để truyền tín hiệu điện thoại. không có bộ lặp được sử dụng. Các nhà phát triển đã tạo ra một dây cho phép bạn tiết kiệm 1% công suất tín hiệu quang ở khoảng cách 1 km so với nguồn.

Đây là bước ngoặt cho công nghệ. Các đường dây ban đầu được thiết kế để truyền đồng thời hàng trăm pha ánh sáng, sau này sợi quang một pha được phát triển với hiệu suất cao hơn có khả năng duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu trong khoảng cách xa hơn. Sợi quang một pha không bù là loại sợi được tìm kiếm nhiều nhất kể từ năm 1983 cho đến nay.

Để truyền dữ liệu qua sợi quang, trước tiên tín hiệu phải được chuyển đổi từ điện sang quang, sau đó được truyền xuống đường dây và sau đó được chuyển đổi trở lại thành điện ở máy thu.Toàn bộ thiết bị được gọi là bộ thu phát và không chỉ bao gồm các thành phần quang học mà còn cả điện tử.

Vì vậy, phần tử đầu tiên của một đường quang là một máy phát quang. Nó chuyển đổi một loạt dữ liệu điện thành một luồng quang. Bộ phát bao gồm: bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp với bộ tổng hợp xung đồng bộ, trình điều khiển và nguồn tín hiệu quang.

Nguồn của tín hiệu quang có thể là điốt laze hoặc đèn LED. Đèn LED thông thường không được sử dụng trong các hệ thống viễn thông. Dòng phân cực và dòng điều chế để điều biến trực tiếp điốt laze được cung cấp bởi trình điều khiển laze. Sau đó, ánh sáng được cung cấp qua đầu nối quang—vào sợi quang cáp quang.

Ở phía bên kia của đường dây, tín hiệu và tín hiệu thời gian được phát hiện bởi một bộ thu quang (hầu hết là cảm biến điốt quang), nơi chúng được chuyển đổi thành tín hiệu điện được khuếch đại và sau đó tín hiệu truyền được tái tạo. Đặc biệt, luồng dữ liệu nối tiếp có thể được chuyển đổi thành song song.

Bộ tiền khuếch đại chịu trách nhiệm chuyển đổi dòng điện không đối xứng từ cảm biến đi-ốt quang thành điện áp, để khuếch đại và chuyển đổi tiếp theo thành tín hiệu vi sai. Chip phục hồi và đồng bộ hóa dữ liệu phục hồi các tín hiệu đồng hồ và thời gian của chúng từ luồng dữ liệu nhận được.

Bộ ghép kênh phân chia theo thời gian đạt được tốc độ truyền dữ liệu lên tới 10 Gb/s. Vì vậy, ngày nay có các tiêu chuẩn sau về tốc độ truyền dữ liệu qua hệ thống quang học:

Ghép kênh phân chia theo bước sóng và ghép kênh phân chia theo bước sóng cho phép bạn tăng thêm mật độ truyền dữ liệu khi một số luồng dữ liệu ghép kênh được gửi trên cùng một kênh, nhưng mỗi luồng có bước sóng riêng.

Sợi đơn mode có đường kính lõi ngoài tương đối nhỏ khoảng 8 micron. Một sợi quang như vậy cho phép một chùm tia có tần số cụ thể truyền qua nó, tương ứng với các đặc tính của một sợi quang nhất định. Khi chùm tia di chuyển một mình, vấn đề phân tán giữa các chế độ biến mất, dẫn đến hiệu suất đường truyền tăng lên.

Sự phân bố mật độ của vật liệu có thể là độ dốc hoặc giống như bước. Phân phối độ dốc cho phép thông lượng cao hơn. Công nghệ đơn chế độ mỏng hơn và đắt hơn công nghệ đa chế độ, nhưng nó là công nghệ đơn chế độ hiện đang được sử dụng trong viễn thông.

Sợi đa mode cho phép nhiều chùm truyền ở các góc khác nhau được truyền đồng thời. Đường kính lõi thường là 50 hoặc 62,5 µm nên việc đưa bức xạ quang học vào dễ dàng hơn. Giá của máy thu phát thấp hơn so với máy đơn mode.

Nó là một sợi quang đa chế độ rất phù hợp cho các mạng cục bộ và gia đình nhỏ. Hiện tượng tán sắc giữa các mode được coi là nhược điểm chính của sợi đa mode, do đó, để giảm hiện tượng có hại này, các sợi có chiết suất gradient đã được phát triển đặc biệt để các tia truyền dọc theo đường parabol và sự khác biệt trong đường quang của chúng nhỏ hơn .Bằng cách này hay cách khác, hiệu suất của công nghệ đơn chế độ vẫn cao hơn.