Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
1.1 Lịch sử phát triển
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về
chuyển động, hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt. Tiếp đó, một hệ thống
thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các đèn hiệu.
Năm 1960 phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được laser bán dẫn và
LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồn nuôi thấp, công suất và dải
sóng đáp ứng phù hợp làm nguồn phát ánh sáng cho thông tin quang sợi.
Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn α= 1000 dB/km
Năm 1970 hãng Corming Glass Works (Mỹ) sản xuất thành công sợi quang thạch
anh có tiêu hao đạt α= 20dB/km tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục. Mở ra khả
năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.
Năm 1971,VC Chape phát minh ra điện máy phát quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời
tiết. Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả
năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau.
Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ 1 làm việc ở bước
sóng λ=0,78μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L= 12km, tốc độ bit 90Mb/s.
Năm 1979 đến nay đã sản xuất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt
α=0,2dB/km.
Đầu năm 1980, A.G.Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra một
thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng. Tuy
nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ rơi do sự xuất hiện của hệ thống
vô tuyến.
Năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thế hệ thứ 2 ra đời làm việc với α= 1,3μm,
dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7Gb/s, cự ly khoảng lặp L= 45km.
Năm 1990 hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ thứ 3 ra đời làm việc với
α=1,55μm, dùng sợi đơn mode tốc độ bit 2,5Gb/s, cự ly khoảng lặp L= 100km.
1

2
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
cũng như dây dẫn đã đem lại những giải pháp tối ưu cho nhà thiết kế. Với sự gia tăng
của dây chống sét và dây dẫn điện kết hợp với sợi quang không những chỉ truyền dẫn và
phân phối điện mà còn đem lại những lợi ích to lớn về thông tin. Điều đó làm giảm giá
thành của hệ thống và cũng chính vì những lý do trên mà cáp quang đang được ứng dụng
rộng rãi trên thế giới. Với giá trị suy hao này đã gần đạt được giá trị suy hao 0.14dB/km
của sợi đơn mode, từ đó đã cho ta thấy hệ thống thông tin quang có các đặc điểm nổi bật
hơn hệ thống cáp kim loại là:
 Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
 Băng tần truyền dẫn rất lớn.
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
 Có tính bảo mật tốt.
 Có kích thước và trọng tải nhỏ.
 Sợi có tính cách điện tốt và được chế tạo từ vật liệu có sẵn.
Với các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên
mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,
thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được
mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới các hệ thống
truyền dẫn xuyên lục địa, vượt đại dương...Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù
hợp cho các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các
tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản.
1.3 Hệ thống truyền dẫn quang
Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu... sau khi
được mã hóa sẽ đưa đến thiết bị phát quang. Tại đây, tín hiệu điện sẽ được chuyển đổi
sang tín hiệu quang. Tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợi quang thì sẽ bị suy
hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu
trên đường truyền để bù đắp sự suy hao ánh sáng truyền trên sợi quang dài với tuyến
thông tin có cự ly lớn nhằm khôi phục lại tín hiệu quang ban đầu để tiếp tục truyền đi.
Khi đến thiết bị thu quang thì tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện,

T/h ra
Thiết bị đầu
cuối thu quang
Input
WDM
Output
EDF
A
Laser
bơm
Hình 1.2 : Cấu hình EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Hiện tại và tương lai, các cấu hình EDFA hai hướng sẽ được ứng dụng nhiều và
cho ra các ưu điểm hơn so với cấu hình phản xạ. Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai đầu
EDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai hướng.Tuy nhiên cấu trúc này dẫn
đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao.
 Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất
Trong các hệ thống khuếch đại quang, các đáp ứng phi tuyến của EDFA đối với tín
hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn, và điều này làm suy
giảm tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại
5
Input
WDM
Output
EDF
Laser
bơm
Hình 1.3 : Cấu hình EDFA phản xạ
Input
WDM

và vai gồm các bước sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt là
do ảnh hưởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng khuếch
đại khác là đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằng
nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
 Cấu trúc cải tiến đặc tính khác
Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về
6
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
cấu hình EDFA.
+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu được độ
khuếch đại cao hơn.
+ Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly
+ Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài
EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp.
Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tạp
Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh hưởng từ độ dài
sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế được một bộ EDFA có hiệu quả cao
nhất cần tối ưu hóa độ dài EDF.
1.4 Ưu - Nhược điểm của thông tin quang
Ưu điểm:
 Suy hao thấp
 Dải thông rộng
 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
 Hoàn toàn cách điện
 Không bị can nhiễu của trường điện từ
 Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể
 Tính bảo mật cao
 Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên
Nhược điểm:
 Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt

1
=n
2
Sin
φ
2
với
φ
1
là góc tới và là
φ
2
là góc khúc xạ
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
2.1.2 Cấu tạo
Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm 2 lớp chính từ các chất điện môi đồng
tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core) và lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn
có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh
thạch anh (Sio) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang từ thủy tinh thạch anh có tiêu hao
thấp và đường kính nhỏ, giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính lớn hơn
và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.
2.1.3 Phân loại
9
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như:

Bảng tham số của cáp quang
+ Bảng 2.1: Cho các tham số của cáp băng dẹt
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo

Sợi quang đơn mode
Phân loại theo mode truyền dẫn
Sợi quang đa mode
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+Bảng 2.4: Cho các tham số của cáp treo trên cột
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 14/24 18/28 12/22 15/25
Trọng lượng(kg/km) 400 470 350 460
Lực kéo (N) 11000 11000 7500 7500
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 120 150
2.2 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Sợi quang có hai đặc tính truyền dẫn là suy hao và tán sắc
2.2.1 Đặc tính suy hao
Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dài
sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao. Nếu gọi L (km) là
chiều dài sợi quang, P
v
là công suất quang tại đầu sợi và P
ra
là công suất quang tại cuối
sợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là :
( )
)2.2(lg10
ra
v
P
P
dBL

. Nên suy hao
do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng ở > 1 μm.
Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ khi
sợi bị uốn cong quá mức. Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không thực
hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên suy hao
do bức xạ. Vì vậy để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang đều quy định bán
kính uốn cong cực đại cho phép theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi.
+ Suy hao do kết nối : bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đấu nối
dùng Colectơ. Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt 0,1 dB/mối, và suy hao tại
mỗi Colectơ không vượt 1 dB/ c.
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy hao
tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của sợi quang.
2.2.2 Đặc tính tán sắc
+ Sự tán sắc của sợi quang : khi xung quang truyền dọc sợi ngoài bị suy hao
còn bị mở rộng độ rộng xung, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang.
Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là :
Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận lên
nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu ISI
(inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền
trong sợi.
Có các dạng tán sắc của sợi quang nh sau : tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc
ống dẫn sóng.
+Tán sắc mode : Tán sắc mode chỉ sảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode là do
sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau. Mỗi mode là
một tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, mặc dù các mode truyền đi
12
22
1
rt
l

GID
m
∆
=
(2.6)
Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc
vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi quang.
+Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng
trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết
suất của vật liệu chế tạo lõi sợi là hàm của bước sóng.
Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau :
)./)((
1
2
1
2
2
2
1
2
nmknps
d
nd
C
Cd
nd
D
vl
λ
λ

)./(
)(
2
2
2
nmkmps
dV
Vbd
C
n
D
ods






∆
=
λ
(2.9) Với
2
2
2
1
2
2
22
/

α
để biểu thị suy hao tính theo dB/km.








=
out
in
P
P
L
log
10
α
(2.10)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như
14
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
không có suy hao, khi đó P
out
= P
in
.
2.3.2 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
+ Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có trong

α
2
2
4
3
1
3
8
−=
(2.11)
15
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
n: chỉ số chiết suất.
k
B
: hằng số Boltzman.

T
β
: hệ số đẳng nhiệt của vật liệu.
T
f
: nhiệt độ hư cấu ( là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại
thành thuỷ tinh)
2.3.4 Suy hao do uốn cong sợi
Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi
dẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh
sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có hai
loại uốn cong sợi:
 Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn

không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đối
với sợi quang.
+ Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng để
dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn.
+ Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài như
chống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp.
2.4.2 Phân loại cáp quang
Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như :
+ Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng lược,
cáp có cấu trúc dạng băng dẹt.
+ Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáp
trung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục.
+ Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống bể,
cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển.
Ví dụ: Một số mẫu cáp quang
+ Cáp băng dẹt
17
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+ Cáp lõi có khe răng lược

+ Cáp với sợi thả lỏng trong ống
+ Cáp treo trên cột
2.4.3 Các thành phần của cáp quang
Các thành phần của cáp quang bao gồm : Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần tử
gia cường, vỏ bọc và vật liệu độn.
Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu
trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp. Lõi cáp được bao quanh phần tử
18
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng