MỤC LỤC
Mục Lục 1
Danh mục các từ viết tắt 3
Danh mục hình vẽ 6
Danh mục bảng biểu 8
Lời nói đầu 9
Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 11
1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12
1.2.1 Bộ phát quang 13
1.2.2 Bộ thu quang 13
1.2.3 Cáp sợi quang 13
1.2.4 Các thành phần khác 14
1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 14
1.3.1 Cấu tạo sợi quang 14
1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang 15
1.4. Phân loại sợi quang 17
1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng 17
1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất 18
1.5. Các thông số của sợi quang 18
1.5.1 Suy hao 18
1.5.2 Tán sắc 23
1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang 24
1.6.1 Ưu điểm 24
1.6.2 Nhược điểm 25
Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF 26
2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 26
2.2. Tổng quan về khuếch đại quang 26
2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 26
1
2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang 29
AWG Array Wave Grating Cách tử AWG
BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu
phát
CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha
DC Dispersion Compensator Bộ bù tán sắc
DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc
DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc
DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc
DEM Dispersion Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc
DEMUX DEMultiplexing Bộ tách kênh
DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố
DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển
DXC Digital Cross Connect Bộ đấu chéo số
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium
EDSFA Erbium-Doped Silicon-based
Fiber Amplifier
Khuếch đại quang Erbium
dựa trên nền bán dẫn Silic
EDTFA Erbium-Doped Tellurite Fiber
Amplifier
Khuếch đại quang Erbium
trên nền bán dẫn Tellurium
FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg
FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền
LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation
LD Laser Diode Điốt phát quang laser
LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường
truyền
MAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị
PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cực
PLC Planar Lightwave Circuit Vi mạch quang
PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
REG Regenerator Trạm lặp (3R)
SNR Signal To Noise Ratio Tỷ số Tín hiệu/Tạp âm
SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin
SMF Single-Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn
SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman
SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode
chuẩn
WDM Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh theo bước sóng
WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo
4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 11
Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang 12
Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang 14
Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng 15
Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16
Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn 19
Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA 19
Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 20
Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 21
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 22
Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 22
Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA 64
Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA 65
Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA 65
Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA
67
Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng 70
Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng 71
Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM 73
Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống 74
Hình 3.9: Cấu hình EDTFA 75
6
Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM 76
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang 41
Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 47
Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 56
7
LỜI NÓI ĐẦU
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa
vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức
truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các
dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống
thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã
có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang
không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và
trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của
mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và
tương lai.
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong
ngành công nghiệp viễn thông. Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt
Nội dung của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang
Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang,
nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin
quang.
Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA
9
Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộ
khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết.
Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông
tin quang WDM.
Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả
năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tin
quang WDM.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG VÀ BỘ
KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang
Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa, …
Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trở
nên phong phú và hiện đại hơn. Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệ
thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lưới
viến thông ở nhiều quốc gia trên thế giới. Thông tin quang là kỹ thuật truyền tin
bằng ánh sang. Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyển
thành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang). Tại máy thu, tín
hiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện. Về mặt nguyên tắc hệ
thống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồm
các thành phần cơ bản như trong hình 1.2 dưới đây:
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin.
10
11
Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang.
Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồn
sáng), các sợi quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánh
sáng truyền qua sợi quang (hình 1.2). Dưới đây là các thành phần chính và chức
năng của hệ thống thông tin quang sợi.
1.2.1 Bộ phát quang
Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát
quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu
suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương
xứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao.
Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang.
Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực
hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợi
dẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang.
Trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào
phần tử bức xạ quang. Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc
theo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ
12
thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều
tần nguồn phát quang.
1.2.2 Bộ thu quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD)
và điôt quang PIN. Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang
đưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người ta còn gọi phần tử này
là bộ biến đổi quang điện. Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tín
hiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi
lại tín hiệu như đã phát ở trạm trước.
1.2.3 Cáp sợi quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số
2
< n
1
. Lớp vỏ có thể là
thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do
điều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ
sợi quang (lớp phủ). Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào
sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát
bề mặt. Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp.
1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản
xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi
trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Để tìm hiểu về
sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của
ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt
phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
14
Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu
khi gặp bề mặt phản xạ.
Ta xét một ví dụ như sau: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có
chiết suất n
1
sang môi trường thứ hai có chiết suất n
2
trong đó n
1
> n
2
(hình 1.4).
sin
n
n
=
θ
hay
1
2
0
arcsin
n
n
=
θ
(1.1)
Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang
môi trường kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).
15
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong
sợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được
truyền đi từ đầu này tới đầu kia.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo
gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n
1
và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết
suất n
2
, với n
) = n
1
. cosθ
o
NAnn
n
n
nnn
i
=−=−=−=
2
2
2
1
2
1
2
2
10
2
100
1.sin1.sin.
θθ
(1.2)
Do chiết suất không khí là
1
0
=n
=∆
.
Trên thực tế:
21
nn ≈
do đó:
∆≈
−
=−= 2
1
2
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
n
n
nn
nnnNA
(1.4)
1.4. Phân loại sợi quang
Có nhiều loại sợi quang, nó được phân loại theo nhiều cách khác nhau.
Dưới đây là 2 cách phân loại chính.
1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng
α là hệ số suy hao
Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:
( )
2
1
lg10
P
P
dBA
=
Trong đó: P
1
= P(0): công suất đưa vào sợi.
P
2
= P(1) là công suất ở cuối sợi.
Hệ số suy hao trung bình
)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB
=
α
Trong đó: A là suy hao sợi
L là chiều dài sợi
b. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang
Công suất ánh sáng truyền trên sợi quang bị suy hao do sự hấp thụ của vật
các bước sóng dài trong thông tin quang.
19
Hình 1.8: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại.
Suy hao do tán xạ gồm:
+ Tán xạ Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp
những chỗ bất đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xêp các phần tử thủy tinh,
các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Khi kích
thước của vùng bất đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng
trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Tia sáng khi gặp những chỗ bất đồng
nhất này sẽ bị tán xạ ra nhiều hướng, trong đó chỉ một phần năng lượng ánh
sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại truyền theo các hướng khác
thậm chí truyền ngược lại nguồn quang. Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ
nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng (
4
−
λ
) nên giảm nhanh về phía bước
sóng dài như hình 1.9.
20
Hình 1.9: Suy hao do tán xạ Rayleigh.
Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng
1dB/km-2dB/km, ở bước sóng 1600nm suy hao chỉ khoảng 0.3dB/km và ở bước
sóng 1550nm suy hao này còn thấp nữa.
+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo:
Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ, tia
sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ
khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ
và suy hao dần.
+ Suy hao bị uốn cong:
- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ
Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị
biến dạng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu
analog và làm các xung lân cận bị chồng lần trong tín hiệu digital. Sự tán sắc
làm hạn chế cự ly và tốc độ bit của đường truyền dẫn quang.
Hình 1.12: Dạng xung vào và ra.
a. Định nghĩa độ tán sắc: Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu D,
đơn vị (s) được xác định bởi công thức:
22
0 i
D
ττ
−=
Trong đó: τ
i
, τ
0
là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (s)
Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km sợi ứng
với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là
ps/nm.km.
b. Các nguyên nhân gây ra tán sắc: sợi quang đa mode có đầy đủ các
thành phần tán sắc như sau:
- Tán sắc mode (mode dispersion): do năng lượng của ánh sáng phân tán
thành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời
gian truyền khác nhau.
- Tán sắc thể (chromatic dispersion) bao gồm: tán sắc chất liệu (material
dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng(waveguide dispersion).
một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến
những địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo.
Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy, chũng có thể
được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng
không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp.
Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúng
không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ. Vì
vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. Điều đó có
nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi
trường phản ứng hạt nhân.
Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – là
những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều. Giá thành
của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra. Ngoài ra, như
đã đề cập ở trên, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầu
cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái
tạo hơn.
Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao,
tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn. Nó cũng dễ bảo dưỡng,
sửa chữa và có độ tin cậy cao. Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài
khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp. Trong bảng 1.2 chúng ta tổng hợp
các ưu điểm trên. Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các
mạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng
rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự,
cũng như các thiết bị đo.
1.6.2 Nhược điểm
25
Copyright: Tài liệu đại học ©