Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 1 -
CHƯƠNG Ι
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUANG -ĐIỆN TỬ VÀ
THÔNG TIN QUANG SỢI
MỞ ĐẦU
Từ khi laser ra đời trong những năm 60 của thế kỷ XX, ngành Quang -điện tử
đ
ã phát triển cực kỳ mạnh mẽ và có ứng dụng trong hầu hết các thiết bị từ quân
s
ự, công nghiệp cho đến dân dụng. Tuy nhiên, lĩnh vực ứng dụng có hiệu quả
nhất các kết quả nghiên cứu của quang -điện tử chính là thông tin và cảm biến.
T
ại Việt nam, chuyên ngành quang-điện tử đã được nghiên cứu và giảng dạy tại
một số Viện nghiên cứu và tại các Trường Đại học từ những năm 60-70 của thế
kỷ trước. Một số kết quả nghiên cứu về quang-điện tử tại Việt nam đã góp phần
đán
g kể trong cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước, trong việc triển khai có
hi
ệu quả cao mạng thông tin cáp quang và tiếp thu công nghệ cao từ bên ngoài
trong quá trình công nghi
ệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập quốc tế hiện nay.
M
ặc dù đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng ngành công nghiệp quang-điện tử
hiện đại của Việt nam vẫn chưa được phát triển đúng với nhu cầu chung của
quốc gia, hầu hết các linh kiện quang -điện tử đều phải nhập từ bên ngoài làm
cho gíá thành các thi
ết bị quang -điện tử chế tạo ở trong nước rất khó cạnh tranh
trên th
ị trưòng. Ngoài ra, kinh phí để duy trì và bảo hành các thiết bị quang-điện
tử , đặc biệt là các thiết bị thông tin quang hiện có, cũng còn rất cao.

BL), trong đó B là tốc độ bít và L là khoảng cách các trạm lặp.
Thông số BL cho hệ thống viba đạt 100 (Mb/s)-km trong những năm 1970.
 Năm 1960:
o Sợi dẫn quang được nghiên cứu chế tạo từ thuỷ tinh silica ( SiO
2
),
h
ệ số suy hao quang khoảng 1000 dB/km.
o Laser bán dẫn được nghiên cứu chế tạo, dòng ngưỡng rất cao, nhiệt
độ l
àm việc thấp, thời gian sống ngắn.
 Năm 1970:
o Hệ số suy hao sợi dẫn quang bằng thuỷ tinh giảm xuống còn 20
dB/km t
ại bước sóng λ=1μm
o Laser bán dẫn GaAs làm việc tại nhiệt độ phòng, dòng ngưỡng
giảm xuống còn vài chục mili-ampere đối với laser công tắc dải. Trong những
năm 70, hệ
thống thông tin quang sợi bắt đầu phát triển.
 Năm 1980: hệ thống thông tin quang đầu tiên được đưa vào hoạt động.
Bước sóng laser trong v
ùng 0.8μm (GaAlAs/GaAs), tốc độ bít 45Mb/s, khoảng
cách lặp 10km. Ý nghĩa để phát triển hệ thống nằm trong khoảng cách lặp lớn
hơn hệ thống viba và do đó giảm giá th
ành lắp đặt và duy trì. Trong những năm
này, laser bán dẫn InGaAs/InP có bước sóng phát tại 1310 nm được chế tạo khá
hoàn thiện. Bước sóng 1310 nm có độ suy hao trong sợi quang khoảng 1dB/km
(1980) và hệ số tán sắc cực tiểu là đối tượng nghiên cứu ứng dụng rất mạnh
trong thời gian này cho hệ thống thông tin quang.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội

ứu thành công trong phòng thí nghiệm năm 1987 và trở thành thương phẩm
năm 1990. Năm 1991 lần đầu ti
ên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử
nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21.000km và 5Gb/s
trên kho
ảng cách 14.300km.
Năm 1996 hệ thống thông tin cáp quang dưới biển có tốc độ 5Gb/
s trên
kho
ảng cách 11.300km sử dụng EDFA được đưa vào sử dụng, năm 1997 hệ
thống Âu – Á có tên FLAG có tốc độ bít 5Gb/s và khoảng cách 27.000km đã
đưa vào hoạt động. Hệ thống cáp quang vòng quanh châu Phi (Africa One) có
kho
ảng cách 35.000km cũng đã đước lắp đặt trong năm 1997.
Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM)
làm tăng dung lượng thông tin quang một cách đáng kể. Khuếch đại quang
EDFA có thể khuếch đại toàn bộ các bước sóng quang trong dải 1525-1575nm
mà không c
ần phải tách từng bước sóng. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 4 -
truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên
kho
ảng cách 9100km. Tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s và BL là 910 (Tb/s)-
km.
Trong năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốc độ bít
100Gb/s đ
ã được đưa vào hoạt động.
Có thể tổng kết rằng BL của hệ thống đã tăng rất nhanh tử 1Gb/s - km
đến 900Tb/s – km chỉ trong vòng 25 năm.

à biểu thị vùng phổ tần số của tín
hiệu.
Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số bằng kỹ thuật lấy mẫu
trong khoảng thời gian của tín hiệu.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 5 -
Tốc độ lấy mẫu được xác định bằng băng tần Δf của tín hiệu tương tự. Theo
Nyquist, tần số lấy mẫu f
s
≥ 2Δf. Bước đầu của quá trình là lấy tương tự tại tần số
bên phải. Gía trị mẫu có thể lấy bất kỳ giá trị nào trong khoảng 0 ≤ A ≤ A
max
,
trong đó A
max
là biên độ cực đại của tín hiệu tương tự. Chia A
max
cho M khoảng
gián đoạn, mỗi giá trị mẫu được lấy sẽ tương đương với một giá trị gián đoạn n
ày
và ta có M giá tr
ị mẫu. Tạp âm của tín hiệu tương tự ký hiệu là A
N
(cường độ tạp
âm rms), ta sẽ có M > A
max
/A
N
và A
max

t
t
t
Hình 1.1. Sơ đồ tốc độ lấy mẫu cho tín hiệu số
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 6 -
đổi phổ biến là điều chế xung mã hoá (PCM: Pulse-Code Modulation). Mã nhị
phân được sử dụng để chuyển đổi giá trị mẫu th
ành bit “1” và “0”. Số lượng bit
m cần thiết để mã hoá mỗi mẫu liên hệ với số mức của giá trị mẫu M theo quy
luật sau:
M = 2
m
→ m = log
2
M (1.2)
T
ốc độ bit trong PCM sẽ là:
B = m.f
s
≥ (2Δf)log
2
M (1.3)
Ta có: M > A
max
/A
N
và : SNR = 20 log
10
max

ênh thoại. Có 2 cách trộn kênh cơ bản: trộn theo phân chia
thời gian (Time-Division multipexing: TDM) và trộn theo phân chia tần số
(Frequency-Divíion multiplexing: FDM).
Tr
ộn kênh theo TDM:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 7 -
Nếu mỗi kênh thoại nén xung đến 3μs, ta có thể trộn 5 kênh theo kỹ thuật TDM
( xem hình 2).
Tr
ộn kênh FDM: Mỗi kênh được truyền tải bằng tần số sóng mang riêng biệt.
FDM tích hợp với cả tín hiệu tương tự và số. Nếu hiểu theo nghĩa rộng trong
quang học FDM cũng là WDM tại phổ quang.
TDM được sử dụng phổ biến trong
kỹ thuật có phân cấp (digital hierarchies)
Hi
ện nay có các phương thức trộn kênh sau:
B
ắc Mỹ và Nhật: trộn 24 kênh thoại với tốc độ 1,544Mb/s (DS-1)
Châu Âu: tr
ộn 30 kênh thoại với tốc độ 2,048Mb/s
T
ốc độ bít lớn hơn tích số lượng bít nhân với 64Kb/s là do phải nhồi thêm các
bít ki
ểm tra để tách kênh tại đầu thu.
15

s
3s
Biên độ

ựa trên cơ sở cấu trúc đồng bộ khung cho các tín hiệu truyền TDM. Khối xây
dựng cơ sở của SONET có tốc độ bit 51,84Mb/s (OC-1 : Optical Carrier-1) và
kh
ối xây dựng cơ sở của SDH là 155,52Mb/s (STM-1: Synchronous Transport
Module -1 )
Bảng 1 : Tốc độ bit của SONET/SDH
Sonet SDH B (Mb/s) Số kênh
OC-1 51,84 672
OC-3 STM-1 155,52 2016
OC-12 STM-4 622,08 8064
OC-48 STM-16 2418,32 32256
OC-192 STM-64 9953,28 129024
2.3. Phương thức điều chế
Có 2 phương thức điều chế bít thông tin quang: RZ (về 0) và NRZ (không về 0).
Thí dụ có dòng bit số 010110 được mã theo phương thức RZ và NRZ

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 9 -
RZ→ xung quang đại diện cho bít “1” ngắn hơn bít slot và trở về 0 trước khi hết
chu kỳ. Băng tần gấp đôi tốc độ bít.
NRZ→ xung quang bao hết bit slot và không trở về “0” giữa các bít “1” liên
ti
ếp. Băng tần bằng tốc độ bit.
RZ là phương thức điều chế tiện lợi cho hệ thống
thông tin Soliton.
Xét phương trình sóng quang trước khi điều chế:
( ) cos( )
o
E t eA t
 

với PCM.
Tín hiệu RZ
0 1 0 1 1 0
Tín hiệu NRZ
Thời gian
Thời gian
Hình 1.4. Sơ đồ mã điều chế RZ (trên) và NRZ (dưới)
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 10 -
§3. Hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang gồm phần phát tín hiệu quang, môi trường truyền dẫn
kênh quang và phần thu và xử lý tín hiệu quang.
Môi trường truyền dẫn quang được chia l
àm 2 loại: Truyền trong sợi quang và
truy
ền trong không gian. Tuyến truyền dẫn quang chia ra 2 loại tuyến truyền
dẫn đường dài và tuyến ngắn. Sự phân chia này phụ thuộc vào khoảng cách
tuyến dẫn. Tuyến đường dài có dung lượng rất lớn gọi là đường trục (trunk
line) và có các bộ lặp. Tuyến ngắn áp dụng cho các tuyến nội hạt và nối giữa
các thành phố.
3.1. Các linh kiện của hệ thống thông tin quang
Phát quang: là nguồn phát quang gồm điốt phát quang (LED) hoặc laser bán
d
ẫn (LD) được ghép với bộ điều chế và bộ ghép kênh quang. Điều chế điện
quang được chia l
àm 2 loại: điều chế trực tiếp DIM (Direct Intensity
Modulation) h
ặc điều chế làm 2 loại: điều chế ngoài EM (External Modulation).
Công su
ất quang vào trong tuyến truyền dẫn là thông số quang trong cho thiết

“0” g
ọi là điều chế cường độ với tách sóng trực tiếp (IM/DD).
Thông số quang trọng của bộ thu là đọ nhạy đầu thu (Receiver sesitivity) liên
quan đến tỷ số bít (Bit-error rate–BER). BER~10
-9
cho các hệ thống thông tin
dưới Gb/s, ~10
-11
cho các hệ thống bậc Gb/s và có thể lên đến 10
-14
cho các hệ
thống dung lượng cực lớn. Các thông số tạp âm của bộ thu ảnh hưởng đến chất
lượng thông tin v
à BER. Tạp âm nhiệt, tạp âm khuếch đại và tạp âm lượng tử là
nh
ững thành phần ảnh hưởng lớn đến thông số của bộ thu quang.
Các thành phần của hệ thống thông tin quang bao gồm:
o Khuếch đại quang: khuếch đại bán dẫn, khuếch đại sợi quang.
o Bộ chia-ghép kênh quang (coupler): bằng sợi hoặc bằng linh kiện quang
học.
o Bộ điều chế và chuyển mạch quang: bằng tinh thể phi tuyến quang hoặc
bằng cấu hình sợi quang kiểu giao thoa kế.
o Bộ cách ly quang chỉ cho ánh sáng đi qua 1 chiều.
o Bộ phân cực quang (tạo phân cực, kiểm soát phân cực) bằng tinh thể sợi
quang hoặc phối hợp sợi quang-điện trường.
o Bộ lọc quang bằng cấu trúc giao thoa kế Fabry-Perot hoặc bằng cách tử
Các linh kiện và thành phần hệ thống thông tin quang sẽ lần lượt được nghiên
c
ứu ở các chương sau.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội

1
sinθ
r
(2.1)
trong đó n
o
: chiết suất không khí
n
1
: chiết suất lõi sợi quang
Trong sợi quang, tia sáng chỉ phản xạ toàn phần khi góc tới của nó đến biên
phân cách lõi-b
ọc đáp ứng điều kiện:

sin 
c
≥ n
2
/ n
1
(2.2)
trong đó n
1
- chiết suất lớp lõi; n
2
- chiết suất lớp bọcVỏ bảo vệ
r

arcsin
c
n
n


(2.3)
Ta th
ấy: θ
r
=
2
c



; trong đó
c

được tính theo (2.3).
Thay vào (2.1) ta có:
2 2
0 1 1 2
sin os ( )
i c
n n c n n
 
  
(2.4)
Tương tự như trong lý thuyết thấu kính, n

)(n
1
–n
2
)]
1/2
=n
1
1/ 2
1 2
1
2
n n
n
 
 

 
 
 
 
= n
1
(2Δ)
1/2
(2.6)
v
ới
1 2
1

ẽ là
sin
c
L

, với L là độ dài sợi quang. Tốc độ lan truyền ánh sáng trong lõi
s
ợi là
1
c
V
n

, vậy thời gian trễ giữa tia truyền thẳng và tia phản xạ tới hạn sẽ là:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 14 -
Δt
2
1 1
2
sin
c
n n
L L
L
c c n

 
   
 

2
2
1
n
c
n 
(2.10)
Thí d
ụ: sợi quang là sợi thuỷ tinh với lớp bọc là không khí, ta có n
1
=1,5, n
2
=1
5
2
1 3.10 /
0,4 / _
1,5
0,5
1,5
km s
BL Mb s Km 
 
 
 
Để sợi quang có BL lớn, Δ<0,01. Thí dụ BL<100Mb/s-km khi = 2.10
-3
.
Trong s
ợi quang còn tồn tại các tia xiên, tuy nhiên các tia xiên không ảnh hưởng

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 15 -
với a - bán kính lõi sợi.
Khi α lớn, sợi sẽ
có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, α = 2 sợi có chiết suất thay đổi
dạng parabol.
Hình 2.2 : Mặt cắt của sợiquang có cấu trúc chiết suât thay đổi tuần tự
Quỹ đạo của các tia biên được tính theo công thức:
2
2
1d dn
dz n d



(2.12)
Trong đó z là trục lan truyền quang (trục sợi quang), ρ là khoảng cách tính từ
trục quang.
Với α = 2, ρ<a, phương trình (2.12) có nghiệm:
   
0
0
cos sinpz pz

 

 
 
 


2
n
1
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 16 -
Tỷ số
t
L

, trong đó Δt là độ trễ lớn nhất trong sợi quang có độ dài L, phụ thuộc
vào hệ số α. Tính toán chi tiết cho thấy: n
1
=1,5; Δ = 0,01 tán sắc giữa các mốt
nhỏ nhất khi α = 2(1-Δ) và chỉ phụ thuộc vào Δ như sau:
2
1
8
n
t
L c



(2.14)
Và ta biết
: t <
1
B

vậy


B
E
t

  

r
r
;
D
H
t

 

r
r
(2.16)
. 0D 
r
;
. 0B 
r
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 17 -
Trong đó
E
r
,

- hằng số từ thẩm trong chân
không.
P
r
và
M
r
là véc-tơ phân cực cảm ứng của điện và từ trường. Trong vật
liệu SiO
2
(vật liệu thuỷ tinh làm sợi quang)
0M 
r
vì chúng không có các chất
nhiễm từ.
Phân cực cảm ứng điện
P
r
và véctơ điện trường
E
r
có mối liên quan phi
tuy
ến theo biểu thức:
     
0
, , ' , ' 'P r t X r t t E r t dt




 


là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Phân gi
ải Fourier điện trường
       
, , ,E r t E r E r t exp i t dt
 


 

r r r
r r r
%
ta sẽ thu được phương trình :

 
2
2
,E r E
c

 
 
  
 
 
r r

ên quan đến hệ số hấp thụ của môi trường.
2
.
2
i c
n



 
 
 
 
(2.21)
 
1/ 2
1 ReX
m
n
I X
nc


 
 

 
 
%
%

0
là số sóng trong chân không :

0
2
K
c
 

  
(2.24)
2.2.
Các mốt trong sợi quang
Các m
ốt trong sợi quang là các nghiệm riêng của phương trình (2.23) với các
điều kiện bi
ên phù hợp và có tính chất không thay đổi trong quá trình truyền
dẫn. Sợi quang giả thiết có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, hình trụ đối xứng qua
trục z. Sử dụng toạ độ trụ cho phương trình (2.23) với các toạ độ ρ, ф và z ta có:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 19 -

2 2 2
2 2
0 2
2 2 2 2
1 1
0
Z Z Z Z
E E E E

 
 
2
2
2
0
d Z z
Z z
dz

 
;
 
 
2
2
2
0
d
m
d




  

(2.26)
và


   
m m
m m
Ay K A Y K a
CK C I a
  
  

  

  
(2.27)
A, A’, C, C’ là h
ằng số y
m
, Y
m
, K
m
, I
m
là các hàm Bessel
Các thông s
ố K và γ được xác đinh bằng biểu thức:

2 2 2 2
1 0
K n K

 

0n n

  
, các mốt truyền dẫn trong lớp bọc sẽ bị phân rã
theo quy lu
ật hàm mũ exponential.
T
ừ biểu thức (2.26) ta có:
 
1/ 2
2 2
0 1 2
K K n n 
khi

γ
= 0

(2.29)
Và điều kiện cut-off cho các mốt được xác định bằng:
 
1/ 2
2 2
0 1 2 1
2
2V K a n n an


 
   

-off (γ=0).
Giải điều kiện này trong sợi quang ta có V ≤ 2,405 cho điều kiện truyền một
mốt.
Từ biểu thức
1
2
2V an


 
 
 
 
ta thấy bán kính sợi quang là một đại
lượng quan trọng trong điều kiện truyền đơn mốt. Sợi quang được thiết kế đơn
mốt với bước sóng cắt λ> 1,2μm cho vùng sóng 1,3 - 1,6μm. Lấy giá trị λ =
1,2μm, n
1
= 1,45 và Δ = 5.10
-3
, ta có V < 2,405 khi a < 3,2μm. Nếu a tăng lên
đến 4 μm thì Δ giảm xuống 3.10
-3
.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 21 -
2.3. Chiết suất mốt
Công thức tính chiết suất mốt và hằng số truyền dẫn chuẩn hoá b (V) sử dụng
trong thực nghiệm như sau:
   

trong đó bộ thu quang kết hợp phụ thuộc vào độ phân cực của tín hiệu thu.
2.5. Kích thước vệt sáng.
Nếu được phân bố theo quy luật Gauss, ta có:

 
2
X
2
exp exp .
W
E A i z


 
 
 
 

(2.32)
Trong đó W gọi là bán kính trường hay kích thước vệt sáng.
Công thức gần đúng tính kích thước vệt sáng W theo V khi 1,2 < V < 2,4 là:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 22 -

3
6
2
W
0,65 1,619. 2,879.
a


g
L
t
v

trong đó v
g
là tốc độ nhóm xác định bằng biểu thức:
1
g
d
v
d



 

 
 
(2.35)
S
ử dụng

0
nK n
c



Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 23 -
2
2
2
g
dt d L d
t L L
d d v d

    
  
 
        
 
 
 

(2.37)
trong đó
2
2
2
d
d




gọi là thông số tán sắc tốc độ nhóm.

2
2
1 2 .
g
d c
D
d v


 
 
  
 
 
 
(2.39)
D - thông s
ố tán sắc, có đơn vị là
 
.
ps
Km nm
Tốc độ bit B được xác định bởi bất đẳng thức B.Δt < 1, ta có:

BL D


<
1
(2.40)

ta có th
ể chia (2.38) thành 2 phần: D= D
M
+ D
W
D
M
- tán sắc vật liệu
:
2 2
2
2 1
g g
M
dn dn
D
d c d

  
  
D
W
- tán sắc dẫn sóng
:
   
2
2
2 2
W
2 2



 
 
 
 
(2.42)
λ
ZD
= 1,276μm cho SiO
2
không pha tạp. λ
ZD
= 1,27÷1,29 cho sợi quang pha tạp
GeO
2
. Tán sắc dẫn sóng luôn có giá trị âm trong vùng bước sóng 0÷1,6μm.
Tổng của hai tán sắc này đã dịch λ
ZD
đến 1,31μm khi D = 0.
T
ại bước sóng 1,55μm: D ≈ 15÷18ps/km.nm
D
W
phụ thuộc vào các thông số của sợi quang a và Δ, do đó có thể chế tạo các
sợi quang có λ
ZD
= 0 tại λ = 1,55μm và sợi quang loại này gọi là sợi dịch tán sắc
(Dispersion Shìfted Fibers). Sợi quang có D rất nhỏ trong vùng từ 1,3 ÷ 1,6μm
gọi là sợi tán sắc phẳng (Dispersion Flattened Fibers) và sợi quang có D âm

Trong đó α = dB/km
10
10
log
out
in
P
dB
km L P

 
 
 
 
 
 
 
(2.45)
Bước sóng (µm)
-30
-20
10
0
10
20
30
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,71,6
D = D
W
+ D