MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1 Giới thiệu chương
Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng
lưới viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng tăng, hệ thống truyền
dẫn cần phải phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống. Do vậy, để hiểu rõ về hệ
thống thông tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển
của hệ thống; sơ đồ nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bước
sóng và các thành phần cơ bản; những ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi
quang.
1.2 Tổng quan
1.2.1 Lịch sử phát triển của thông tin quang
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con
người qua đôi mắt về sự vật hiện tượng. Từ xa xưa, con người đã biết dung lửa khói
để truyền thông tin như đèn hiệu, đèn hải đăng … Năm 1971, V.C. Chappe phát minh
ra máy điện báo quang sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn, cũng như các
phương tiện thông tin trước nó phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, khoảng cách
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 1
truyền dẫn không lớn, tốc độ thấp (< 1 bit/s). Năm 1880, A.G.Bell phát minh ra máy
điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị quang có khả năng biến đổi từ tín hiệu âm thanh
thành tín hiệu ánh sáng. Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát
triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của hệ thống
thông tin vô tuyến.
Nửa sau thế kỉ 20, thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của Laze
( 1958 ), việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi quang đã tạo
bước độ phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin quang vào cuộc sống.
Trong vòng 20 năm ( 1974- 1992) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc:
- Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triển khai vào năm 1978, làm việc ở
bước sóng 0.85um, tốc độ truyền tin vào khoảng 50 – 100 Mb/s, khoảng lặp đạt
10Km, tổn hao sợi quang 20 dB/s.
- Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu năm 1980, bước sóng làm
Silic, suy hao của loại sợi này thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly trạm lặp có thể đạt
hang ngàn Km.
- Phát triển vi mạch quang tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Phương pháp này
kết hợp xử lí tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng một chip từ đó tăng khả năng
và tốc độ xử lý tín hiệu.
- Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp, các trạm
lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện rồi
khuếch đại, phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đổi sang tín hiệu quang truyền đi.
Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối tiền khuếch đại máy thu làm tăng độ
nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và
dùng làm khối khuếch đại máy phát.
- Cải tiến các linh kiện thu, phát quang. Linh kiện phát được phát triển theo hướng :
tăng công suất phát, giảm độ rộng phổ, tăng giải thông điều chế, giảm dòng ngưỡng
và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ. Linh kiện thu phát triển theo hướng : tăng đọ nhạy,
tăng dải thông, giảm dòng tối, giảm ảnh hưởng của điện áp phân cực (đối với diode
quang thác ADP).
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 3
1.2.3 Hệ thống thông tin quang
Hình 1.1 Mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần cơ
bản
Một hệ thống thông tin quang hay hệ thống thông tin ánh sáng là một hệ thống
liên lạc sử dụng ánh sáng để mang thông tin sợi quang. Hệ thống thông tin là hệ
thống điểm – điểm, còn mạng thông tin có nhiều tuyến được nối với nhau bằng các
bộ ghép hoặc các bộ chuyển mạch, cho phép liên lạc từ trạm này đến trạm khác. Hinh
1.2 minh họa mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần
cơ bản của nó. Mạng cung cấp các đường quang tới người sử dụng là các đầu cuối
SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP.
Một hệ thống thông tin liên lạc điểm – điểm gồm ba phần cơ bản là phần phát,
môi trường truyền dẫn và máy thu. Phần phát có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào thành
tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. Đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi
Hệ thống thông sợi tin quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn
phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km).
Hệ thống dài thường là các tuyến đường trục trên mặt đất có dung lượng lớn nối giữa
các thành phố, các quốc gia hoặc các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương. Hệ
thống ngắn thường là các tuyến và các vòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp
hơn và khoảng cách dưới 10 km. Để đáp ứng với các loại hình thông tin số đa dạng,
tốc độ cao, nhiều thuê bao như hiện nay và trong tương lai, các hệ thống này cũng
thực hiện các kỹ thuật ghép kênh và khuếch đại quang như hệ thống đường trục.
Dựa vào phương pháp điều chế thì có thể chia hệ thống thông tin sợi quang
thành hai hệ thống: Hệ thống đều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM-DD) và hệ
thống Coherence. Trong đó hệ thống IM-DD sử dụng phương pháp điều chế số ASK,
còn hệ thống Coherence sử dụng thêm các phương pháp điều chế số khác như: FSK,
PSK, điều chế phân cực PoLSK
Hệ thống thông tin sợi quang IM-DD hiện nay được sử dụng phổ biến hơn,
bao gồm các thành phần chính là phần phát quang, sợi dẫn quang và phần thu quang
được biểu diễn như hình sau :
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 6
Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM-DD
Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện
điều khiển liên kết nhau, bao gồm các phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát
quang. Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc LD, các loại này tạo
ra tín hiệu quang ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến vào. Tuy nhiên
LED phù hợp với hệ thống có cự li ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành cho
các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao. Tín hiệu điện ở đầu
vào ở dạng số hoặc tương tự, thiết bị phát sẽ biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng.
Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang. Các loại sợi được sử dụng là sợi đơn
mode hay đa mode. Khi lắp đặt tuyến quang, tham số quan trọng cần chú ý đến là suy
hao tín hiệu trên sợi theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước
sóng được thể hiện như hình 1.4
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 7
máy thu riêng biệt.
+ Phương thức truyền dẫn WDM theo một hướng:
Hình 1.5 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn
hướng.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 9
Hình 1.5.Hệ thống WDM đơn hướng
Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép với nhau tại một đầu bởi bộ
MUX-WDM rồi truyền trong một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu này được giải ghép
bởi bộ DEMUX-WDM rồi chuyển đến các bộ tách sóng quang để thu các bước sóng
tương ứng.
+ Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng:
Hình 1.6 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song
hướng.
Hình 1.6.Hệ thống WDM song hướng
Các tín hiệu λ
1
, , λ
k
được ghép với nhau tại một đầu rồi chuyền trong sợi
quang và được thu tại đầu bên kia. Đồng thời, các tín hiệu λ
k+1
, , λ
n
được phát ở đầu
bên kia và thu ở đầu này. Các bước sóng giữa hai hướng truyền không được trùng
nhau.
1.4 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
- Dung lượng cực lớn: Cáp quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất
nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến. Băng thông gấp khoảng 10000 lần
so với thông tin vi ba.
sau vào thành phần chính trong hệ thống, vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể ở
chương sau.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 11
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 12
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
2.1 Giới thiệu chương
Sau khi tìm hiểu về hệ thống thông tin quang qua tìm hiểu ở chương trước.
Trong chương này tiếp tục tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang. Cụ
thể sẽ tìm hiểu về bộ phát quang; sợi quang; suy hao trên sợi quang; tìm hiểu về bộ
thu quang và tìm hiểu về vai trò bộ khuếch đại quang trong hệ thống.
2.2 Cấu trúc của hệ thống
Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang
Nhìn vào hình 2.1, ta thấy cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm
những bộ phận sau:
+ Bộ phát quang
+ Sợi quang
+ Bộ khuếch đại quang
+ Bộ thu quang
Để hiểu rõ hơn, đồ án đi vào tìm hiểu từng bộ phận dưới đây:
2.3 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
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 13
tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tử bức xạ
năng lượng và tạo ra photon mà hình biểu diển hệ thống có hai mức năng lượng,
trong đó các hạt mang có thể ở một trong hai trạng thái E1 hoặt E2 khi không có bơm
bên ngoài, hầu hết các hạt mang đều ở trạng thái nền do sự ổn định nhiệt, còn khi có
bơm bên ngoài thì hạt mang nhảy từ mức E1 lên E2.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 16
2.3.2.2 Khuếch đại ánh sáng.
Hình 2.5 Sự tái hợp và phát xạ photon trong Laser Diode bán dẫn
Hình 2.5 biểu diển quá trình phát xạ và hấp thụ trong hệ thống có 2 mức năng
lượng. Khi hạt mang được bơm đến trạng thái cao hơn thì có thể quay lại trạng thái
nền theo cơ chế tự phát hoặt tự kích ,tương ứng với quá trình phát xạ photon tự phát
hoặt tự kích. Trong phát xạ tự phát, các photon tạo ra có tần số và pha ngẩu nhiên
tương ứng với ánh sáng không kết hợp, trong khi đó các photon phát xạ kích thích
sẽ có cùng tần số và pha và tạo ánh sáng kết hợp. Ngoài ra các photon cũng có thể bị
hấp thụ để kích thích các hạt mang từ trạng thái đất lên trạng thái cao hơn gọi là sự
hấp thụ kích thích.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 17
2.3.3 So sánh giữa LED và LD
Bảng 2.1 So sánh giữa LED và LD
2.4 Sợi quang
Sợi quang đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong hệ thống
thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba số và thông
tin vệ tinh. Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sá ng
trong sợi rất nhỏ, chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao
trong sợi đơn mode SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổn hao sợi là cơ sở để xác định
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 18
khoảng lặp trong các hệ thống thông tin sợi quang. Một thông số quan trọng khác
của sợi quang là tán sắc sợi gây ra vấn đề giãn nở xung tín hiệu tại máy thu. Nếu các
xung bị trải rộng vượt quá khe thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy
giảm nghiêm trọng. Tán sắc trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi
đơn mode khác nhau với các tốc độ khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ
>n
2
cho nên góc tới Ø
1
< Ø
2
nếu góc tới Ø
1
lớn dần lên đến
một giá trị Ø
c
thì tia khúc xạ song song với ranh giới phân cách hai môi trường lúc
đó Ø
c
gọi là góc tới hạn, lúc này không tồn tại tia khúc xạ ở môi trường thứ 2.
Hình 2. 6 Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Khi tia sáng có góc tới Ø
1
lớn hơn góc tới Ø
c
thì đều bị phản xạ lại. Hiện
tượng các tia sáng bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu tại mặt phân cách hai môi
trường gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần ứng với góc tới hạn Ø
c
thì góc khúc xạ
Ø
2
=90
0
sinØ
- Đường kính lõi sợi đa mode: 50 micromet
- Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy tinh bao
quanh lõi.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 21
Hình 2.7 Cấu trúc sợi quang với vỏ có dạng ống đệm lỏng
Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinh có tác dụng tạo ra phản
xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ. Muốn vậy thì chỉ số chiết suất của lõi
phải lớn hơn chiết suất của vỏ. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm không
cần chất nhồi nhưng đối với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tác dụng
ngăn ẩm, có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp và dễ
tẩy sạch khi hàn và khó cháy.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 22
Hình 2.8 Cấu trúc cơ bản của sợi quang điển
hình
2.4.3 So sánh sợi đơn mode và sợi đa mode
Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode, đặc biệt ở
bước song λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode này rất thấp (gần như bằng
không). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng, song vì kích thước của các
linh kiện quang
cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải
có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng do đó sợi đơn
mode đang được dùng phổ biến
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 23
Sợi đơn
mode
Sợi đa
mode
Chỉ được phép truyền 1 mode sóng trong
một sợi quang
Cho phép truyền nhiều mode sóng trong
α =10/L*log(Pin/Pout)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như
không có suy hao, khi đó Pout= Pin.
SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 25
Copyright: Tài liệu đại học ©