ghép kênh quang phân chia theo thời gian otdm

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO
THỜI GIAN OTDM
Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN
Lớp : CCK02- ĐT1
Khoá : 2007- 2010
Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO
THỜI GIAN OTDM
Giảng viên hướng dẫn : ThS TÔ VĂN TUẤN
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ DUYÊN
Lớp : CCK02- ĐT1
Khoá : 2007- 2010
Vĩnh Phúc, tháng 05 năm 2010
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI CẢM ƠN
CH NG I. KHÁI QUÁT V H TH NG THÔNG TIN QUANGƯƠ Ề Ệ Ố 1
1.1. T ng quan v h th ng thông tin quangổ ề ệ ố 1
1.2. S kh i c a h th ng thông tin quangơ đồ ố ủ ệ ố 3
1.2.1. Ch c n ng các kh iứ ă ố 3
1.2.2. Các tham s c b n c a h th ng thông tin quangố ơ ả ủ ệ ố 3

CH NG II. CÁP S I QUANGƯƠ Ợ 5
2.1. C u t o v phân lo i cáp s i quangấ ạ à ạ ợ 5
2.1.1. C u t o cáp s i quangấ ạ ợ 5
2.1.2. Phân lo i s i quangạ ợ 5
2.2 C s lý thuy t truy n d n ánh sángở ở ế ề ẫ 6
2.2.1 C s lý thuy tơ ở ế 7
2.2.2. Kh u i u ch sẩ đ ề ế ố 8
2.2.3. Lý thuy t mode sóngế 10
2.3. Các c tr ng suy hao c a s i quangđặ ư ủ ợ 11
2.3.2. Ph suy haoổ 12
2.3.3. c tính tán s c c a s i quang Đặ ắ ủ ợ 14
CH NG III. NGU N PHÁT QUANGƯƠ Ồ 17
3.1. Nguyên lý b c x ánh sáng c a ch t bán d nứ ạ ủ ấ ẫ 17
3.1.1. Nguyên lý b c x ánh sángứ ạ 17
3.1.2. Các ch t bán d n dùng ch t o ngu n phát quangấ ẫ để ế ạ ồ 19
3.2 Phân lo i ngu n phát quang ạ ồ 21
3.3. Diode phát quang (LED) 22
3.3.1. LED phát x m tạ ặ 23
3.3.2. LED phát x c nhạ ạ 24
3.3.3. Các c tr ng k thu t c a LEDđặ ư ỹ ậ ủ 24
3.4. LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 26
3.4.1. C u trúc v nguyên t c l m vi cấ à ắ à ệ 26
3.4.2. M t s lo i laser c s d ngộ ố ạ đượ ử ụ 27
3.4.2.1. Laser a mode Fabry_Pero (F_P) đ 27
3.4.2.2. LASER n modeđơ 28
3.4.3. Các c tr ng c a laserđặ ư ủ 30
CH NG IV. NGU N THU QUANGƯƠ Ồ 34
4.1. Khái quát v ngu n thu quangề ồ 34
4.2. Photo diode P-N 34
4.2.1. C u t o v nguyên t c tách sóng quang c a photo diode P-Nấ ạ à ắ ủ 34

4.1.3. Các c tính k thu t c a photo diode P- Nđặ ỹ ậ ủ 35
4.3. Photo diode PIN 37
4.3.1. C u t o v nguyên lý l m vi cấ ạ à à ệ 37
4.3.2. Tham s k thu t c a PINố ỹ ậ ủ 38
4.4. Photo diode thác APD 39
4.4.1. C u t o v nguyên lý l m vi cấ ạ à à ệ 39
4.4.2. Các tham s k thu t c a APDố ỹ ậ ủ 41
CH NG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO TH I GIANƯƠ Ờ 43
5.1. T ng quan v h th ng ghép kênh phân chia theo th i gian OTDMổ ề ệ ố ờ 43
5.1.1. Nguyên lý ghép kênh trong h th ng OTDMệ ố 43
5.1.2 Phát tín hi u trong h th ng OTDMệ ệ ố 44
5.2 Gi i ghép v xen r kênh trong h th ng OTDMả à ẽ ệ ố 45
5.2.1 Gi i ghépả 45
5.2.2. Xen r kênhẽ 48
5.2.3 ng b quang trong h th ng OTDM Đồ ộ ệ ố 49
5.3. c tính truy n d n c a OTDMĐặ ề ẫ ủ 50
5.4. B khu ch i s i quang pha tr n ERBIUM (EDFA)ộ ế đạ ợ ộ 51
5.4.1 Các c u trúc EDFAấ 51
5.4.2. Lý thuy t khu ch i trong EDFA ế ế đạ 53
5.4.3. Yêu c u i v i ngu n b mầ đố ớ ồ ơ 56
5.4.4. Ph khu ch i ổ ế đạ 59
5.5. K t lu n ch ngế ậ ươ 61
K T LU NẾ Ậ 62
DANH M C TÀI LI U THAM KH OỤ Ệ Ả 63
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
BẢNG:
BẢNG 2.1: Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại
sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh
BẢNG 3.1: So sánh ELED và SLED
BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN

BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD
BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt các phương pháp ghép kênh OTDM
BẢNG 5.2: So sánh hai mức bơm 980nm và 1480nm
BẢNG 5.3: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và L

HÌNH:

HÌNH 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
HÌNH 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
HÌNH 2.2: Truyền ánh sáng trong sợi quang
HÌNH 2.3: Khẩu điều chế số
HÌNH 2.4: Phổ suy hao của sợi quang
HÌNH 2.4: Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang
HÌNH 3.1: Dải cấm năng lượng trực tiếp
HÌNH 3.2: Dải cấm năng lượng gián tiếp
HÌNH 3.3: Cấu tạo của LED phát xạ mặt
HÌNH 3.4: Cấu trúc LED phát xạ cạnh
HÌNH 3.5: a) Bức xạ tự phát
HÌNH 3.5: b) bức xạ kích thích
HÌNH 3.6: Cấu trúc của bộ lọc ngoài
HÌNH 3.7: Đồ thị phổ bức xạ của LASER
HÌNH 4.1: Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử
η
HÌNH 4.2: Cấu tạo của photo diode quang
HÌNH 4.3: Cấu tạo của diode thác APD
HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép 4
kênh quang
HÌNH 5.2: Nguyên lý của bộ ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển
mạch phân cực quang
HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock

HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium
HÌNH 5.6: Giản đồ năng lượng của ion Er
3+
HÌNH 5.7: Phổ hấp thụ và phổ độ lợi
HÌNH 5.8: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm
980nm và 1480nm.
HÌNH 5.9: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép

CÁC TỪ VIẾT TẮT
APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác
APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động
AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ
BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông
CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngược
CP Condirectional Pumping Bơm thuận
CR Coupling Ratio Tỉ số ghép
D Directivity Tính dịnh hướng
DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc
DP Dual Pumping Bơm hai chiều
DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc
EDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier
Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn
Erbium
FBGF Flouride-Based Glass Fiber Sợi thủy tinh Flouride
FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng
GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien
GS Gain Spectrum Phổ độ lợi

IL Insertion Loss Suy hao xen
ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa giữa các kí hiệu
LD Laser Diode Điốt Lase
LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang
LW Linewidth Độ rộng kênh truyền
MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu
MB Mestable Bend Vùng giả bến
MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu
MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi Gradien
MM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc
MoD Mode Dispersion Tán sắc mode
NC Nonradiative Cecay Phân rã không bức xạ
NOLM Norlinear-Loop-Mirror Gương vòng phi tuyến
OFDM
Optical Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia theo tần số
OTDM
Optical Time Division
Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia theo thời
gian
OTN Optical Transport Network Mô hình mạng truyền tải quang
OWDM
Optical Wave Division
Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia theo bước
sóng
OxC Optical Crossconnect Bộ kết nối chéo quang
P Padiation Phóng xạ ánh sáng

PDH
Plesiochronous Digital
Hierarchy
Phân cấp số cận đồng bộ
PDL Polarization Dependent Loss Suy hao do phân cực
PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN
PL Pumping Laser Laser bơm
PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha
RL Return Loss Suy hao phản hồi
SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ
SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc
SMF Sợi đơn mode tiêu chuẩn
SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên
U Uniformity Tính đồng nhất
WDM Wave Division Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia theo bước
sóng
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó
thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông
ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh
tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông
tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng,
dung lượng lớn. Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc
độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền
dẫn thông tin quang tốc độ cao.
Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, thì quá trình biến đổi
điện – quang của các phần tử phát quang (LED, LD) và quá trình biến đổi quang –
điện của các phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến

tĩnh của nó nữa, mà là hàm số của tần số (đó chính là quá trình biến đổi động của các
phần tử phát và thu quang). Khi tốc độ truyền dẫn càng lớn và do đó tần số truyền dẫn
của hệ thống càng cao, thì ảnh hưởng của quá trình biến đổi động của các phần tử phát
và thu quang đến chất lượng truyền dẫn càng lớn.
Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang luôn chứa đựng những tiềm năng vô
cùng phong phú và luôn được cập nhật những thông tin mới. Do đó để bao quát hết
được vấn đề là một công việc hết sức rộng lớn. Chính vì thế, chúng em đã chọn đề tài
“TRUYỀN DẪN QUANG” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp.
Đề tài gồm 5 chương với nội dung như sau:
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.
Trong chương này, giới thiệu về hệ thống thông tin quang, những ưu nhược
điểm của hệ thống.
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
Trong chương này chúng em nghiên cứu về cấu tạo, phân loại sợi quang và các
đặc tính riêng của từng loại.
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
Chương này giới thiệu chung về nguyên lý phát quang, các nguồn thu quang.
Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và các đặc trưng kĩ thuật của mỗi loại nguồn phát quang.
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
Nghiên cứu về nguyên lý của các thiết bị thu quang, các thiết bị dung trong thu
tín hiệu quang.
CHƯƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM
Giới thiệu về kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, những
ưu nhược điểm của hệ thống này.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ xung và phát
triển rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cũng như các bạn có
quan tâm để hoàn thiện kiến thướcvề công nghệ này.
LỜI CẢM ƠN
Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo ThS Tô Văn
Tuấn người đã trực tiếp định hướng, giảng dạy và hướng dẫn tận tình cho chúng em từ

các môn học cho đến khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô của trường Cao đẳng Công
nghiệp Phúc Yên nói chung, quý thầy cô trong khoa điện tử- viễn thông nói riêng đã
tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức bổ ích trong khoảng thời gian học tại
trường.
Em xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ em rất nhiều trong
quá trình học tập và thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
NHẬN XÉT
Của giảng viên hướng dẫn đồ án
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………
Giảng viên hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT
Của giảng viên hướng dẫn nộp cho Hội đồng bảo vệ đồ án
………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………………………………………
Đồ án, khoá luận được đánh giá (bằng điểm):
Điểm bằng số:
Điểm bằng chữ:
Giảng viên hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT
Của giảng viên phản biện trong đồ án, khoá luận của sinh viên

………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
…………………………………………….
Giảng viên phản biện
(ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT
Của giảng viên phản biện nộp cho Hội đồng chấm đồ án















Đồ án, được đánh giá (bằng điểm):
Điểm bằng số:
Điểm bằng chữ:
Giảng viên phản biện

(ký và ghi rõ họ tên)
Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin
ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung
lượng lớn, tốc độ cao, băng thông rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ
thông tin phát triển nhanh chóng, để thích ứng không ngừng với sự phát triển của dung
lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã khẳng định được
chính mình.
Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới
có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960. Bằng khuyến nghị của Kao và Jockham 1966 về
việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp. Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được
sợi quang trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km. Cho tới đầu năm
1980, các hệ thống thông tin quang đã được phổ biến khá rộng rãi với vùng bước sóng
làm việc là 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của thông tin sợi
quang trong hai thập niên qua. Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra những triển vọng
mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại hóa mạng thông tin
và nhu cầu kết nối thông tin. Với giá trị suy hao gần đạt tới giá trị suy hao 0,14dB/km
của sợi đơn mode, từ đó cho ta thấy hệ thống thông tin quang có những điểm nổi bật
hơn hệ thống cáp kim loại.
Những ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang:
Dung lượng lớn: các sợi quang có khả năng truyền một lượng lớn thông tin. Với
công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm
thoại, một cáp sợi quang đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại mà một
tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời.
Kích thước và trọng lượng nhỏ: so với một cáp đồng trục có cùng dung lượng
thì cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn rất nhiều, do đó dễ
lắp đặt chúng hơn, đặc biệt là các vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong đường ống
đứng trong các tòa nhà) ở đó khoảng không là rất ít.

GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 1 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang
Không bị nhiễm điện: truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi
nhiễm diện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự
nhiễu nội tại nào .Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch” ở những vị trí
khắc nghiệt nhất, các công ty điện lực sử dụng cáp quang dọc theo các đường dây cao
thế để cung cấp nguồn thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp.Cáp sợi quang cũng
không bị xuyên âm, thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra một sợi quang thì nó không thể
thâm nhập vào một sợi quang khác.
Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Sợi thủy tinh này loại bỏ nhu
cầu về điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang là một chất điện môi thích hợp không
chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Có thể
loại bỏ được nhiễu từ các dòng điện chạy cùng dưới đất hay những trường hợp nguy
hiểm gây ra bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét, những trục trặc về
điện. Đây là một phương pháp an toàn thường được dùng ở nhưng nơi cần cách điện.
Tính bảo mật: cáp quang cung cấp độ bảo mật về thông tin cao. Một thông tin
quang không thể trích để lấy trộm thông tin bằng phương tiện điện thông thường như
sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ và rất khó trích lấy thông tin ở dạng
thông tin quang. Thậm chí nếu đã trích ra thông tin quang thì nó có thể bị phát hiện
nhờ kỹ thuật công suất ánh sáng thu được ở đầu cuối, trong khi đó các tín hiệu vệ tinh
và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được.
Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng
nhất và không gây hiện tượng pha đinh. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích
hợp để chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khắc nghiệt, thậm chí có
thể hoạt động dưới nước.
Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng
thông tin số liệu, thoại, video,…Các hệ thống này đều có thể tương thích với các
chuẩn RS232, RS422, V.35, Ethernet, FDDI, T1, T2, T3, SONET, thoại 2/4…
Tính mở rộng: các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp để dẽ dàng mở
rộng khi cần thiết.

GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 2 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang
Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ này cho phép thực hiện những đường truyền
thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu. Khoảng cách này có
thể tăng lên 150km nhờ sử dụng bộ khuếch đại LASER.
Với những ưu điểm vượt trội trên, hệ thống thông tin tạo ra sức hấp dẫn mạnh
mẽ cho các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ
phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa mà còn có tiềm năng to lớn trong việc
thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại
hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
1.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
1.2.1. Chức năng các khối
Hệ thống thông tin quang bao gồm các khối:
1. Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có
tốc độ thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ
cao hơn và ngược lại.
2. Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín
hiệu điện thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang.
3. Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng.
4. Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài.
5. Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu
điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu.
1.2.2. Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang
Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm có:
• Cự ly tuyến truyền dẫn L (km), tốc độ bit B (Mbit/s)
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 3 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Thiết bị đầu
cuối phát
quang

Trạm lặp
Thiết bị đầu
cuối thu
quang
Tín hiệu
vào
Sợi quang Tín hiệu
ra
Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang
• Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR
• Tỉ số lỗi bit BER (
129
1010
−−
÷
)
• Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz)
• Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và
tốc độ bit BxL (Mbit/skm)
• Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước
sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns)
• Đối với máy thu quang: độ nhạy thu P
r min
(mW hay dBm), bước sóng làm việc,
thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm).
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 4 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương II: Cáp sợi quang
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.1. Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang
2.1.1. Cấu tạo cáp sợi quang

Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm
nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn có lớp
bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài.
Chất điện môi chủ yếu để chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh
(SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và
đường kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có đường kính lớn
hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.
Chiết suất của lõi sợi quang là n
1
lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n
2
. Lớp
clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi. Lớp vỏ
bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị
bụi ẩm và trầy xước. Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài,
lớp áo giáp và lớp chịu lực.
2.1.2. Phân loại sợi quang
Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại
theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền.
Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng
thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo.
Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step
Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index).
Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa
mode (multi mode).
Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố
chiết suất . Theo đó người ta phân sợi quang thành 3 loại sau:
1. Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI. Chiết suất của lớp vỏ lõi là
n
1

và lớp vỏ là n
2
đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 5 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương II: Cáp sợi quang
nhiều loại mode sóng (nhiều tia sóng) khác nhau với hằng số truyền riêng
β
của mỗi
mode. Với sợi làm bằng thủy tinh thạch anh thì chiết suất n
1
=1,5; n
2
=1,48.
2. Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi Gradien MM_GI. Lõi sợi có chiết suất
phân bố biến đổi là hàm số theo bán kính của lõi, với giá trị lớn nhất tại tâm là n
1
và
giảm dần theo bán kính đến giá trị n
2
, còn vỏ sợi có chiết suất cố định là n
2
.
Trong sợi MM_GI truyền được đồng thời nhiều mode sóng, mỗi mốt sóng
truyền theo các đường cong dạng hình sin có chu kỳ gặp nhau sau một khoảng nhất
định. Phân bố chiết suất của sợi GI theo quy luật sau:

( )















∆−=
2
1
1
a
r
nrn
khi
ar <

( )
2
nrn =
khi
ar <
(2.1)
Sợi MM_SI được dùng phổ biến trong kỹ thuật có mặt cắt dạng parabol (dạng
tối ưu) với tham số mặt cắt
2

=
α
.
3. Sợi quang đơn mode chiết suất nhảy bậc SM_SI. Chiết suất vùng lõi và vỏ
của sợi quang này cũng là hằng số khác nhau n
1
, n
2
, nhưng bán kính vùng lõi nhỏ hơn
nhiều so với sợi đa mode. Trong sợi quang đơn mode chỉ truyền một sợi mode sóng
duy nhất là mode sóng cơ bản. Tia sóng của mode này truyền song song với trục sợi
trong vùng lõi.
Đường kính lõi
µm
Đường kính vỏ
µm
Đường kính vỏ bảo
vệ (µm)
∆(%)
SM: 8-10 125 250 hay 500 0,1 – 0,2
MM: 50 250 250 - 500 1 -2
Bảng 2.1. Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi
quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh
2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 6 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương II: Cáp sợi quang
2.2.1 Cơ sở lý thuyết
Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ
trong lõi sợi và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp
vỏ của sợi quang. Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự phản xạ và khúc xạ sóng ánh

sáng trên bề mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n
1
>n
2
khi sóng ánh sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai.
Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn.

Hình 2.1. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Khi tia sóng truyền từ môi trường một đến mặt phân cách chia hai môi trường
dưới góc
1
ϕ
(góc lập giữa tia tới và pháp tuyến n cuả mặt phân cách) thì tại mặt phân
chia hai môi trường sẽ xuất hiện tia phản xạ quay trở lại môi trường một với góc phản
xạ
px
ϕ
và tia khúc xạ 1’ đi tiếp và môi trường hai với góc khúc xạ là
ψ
.
Theo định luật khúc xạ ta có hệ thức sau:

ψϕ
sinsin
211
nn =
Suy ra:
1
2
1

sinsin
ϕψ
n
n
=
(2.3)
(2.4)
Vì n
1
>n
2
nên ta có
ϕψ
>
. Vậy sẽ tồn tại trường hợp khi tia tới (tia 2) truyền với
góc tới
0
ϕ
có giá trị
2
0
0
Π
<<
ϕ
để đạt được điều kiện:
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 7 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương II: Cáp sợi quang
1sinsin
0

2
1
==
ϕψ
n
n
hay
2
Π
=
ψ
(2.5)
Nếu tia sáng tới thứ 3 truyền đến mặt phân chia với một góc lớn hơn góc tới
hạn
02
ϕϕ
>
thì tia khúc xạ không còn truyền trong môi trường 2 mà quay trở lại môi
trường 1 trùng với tia phản xạ 3’ với góc phản xạ
2
ϕϕ
=
px
. Hiện tượng trên gọi là sự
phản xạ toàn phần hai điều kiện để xảy ra sự phản xạ toàn phần là n
1
>n
2
,
0

ϕϕ
>
t
. Do
sợi quang cấu tạo bởi 2 lớp chiết suất, lớp lõi kém hơn lớp vỏ n
1
>n
2
nên khi tia sáng
truyền vào lớp lõi lập với pháp tuyến mặt phân chia giữa lớp lõi và vỏ có góc tới lớn
hơn góc tới hạn
0
ϕ
thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách và
truyền dọc trong lõi sợi quang theo đường zích zắc mà không đi ra ngoài vỏ.
Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang
Đối với sợi quang GI, chiết suất lõi sợi biến đổi theo lõi sợi quang không theo
đường thẳng zích zắc theo đường cong dạng hình sin với chu kỳ tập trung quanh trục
lõi sợi quang. Điều này được giải thích như sau: vận tốc truyền sóng trong trong lõi sợi
quang được xác định bởi công thức:
1
n
c
V
ph
=
. Tại vùng gần trục, do chiết suất lõi sợi
lớn nên vận tốc truyền của tia nhỏ nên quãng đường truyền ngắn còn vùng xa trục do
chiết suất lõi nhỏ, nên vận tốc của tia lớn hơn và tia đi được quãng đường lớn hơn. Kết
quả là các tia truyền theo các đường cong có độ dài khác nhau nhưng sau cùng một

khoảng thời gian sẽ gặp nhau theo chu kỳ.
2.2.2. Khẩu điều chế số
Để đặc trưng về khả năng ghép lượng ánh sáng vào lõi sợi quang người ta đưa
vào đại lượng gọi là khẩu độ số, kí hiệu là NA.
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 8 SVTH: Nguyễn Thị Duyên
Chương II: Cáp sợi quang
Ta đã biết, để tia sáng đi vào lõi sợi quang và truyền dọc theo lỡi sợi cần thực
hiện được điều kiện phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia giữa lõi và vỏ,
nghĩa là phải có góc tới lớn hơn góc tới hạn
0
ϕ
.


Hình 2.3. Khẩu điều chế số
Trên hình vẽ ta thấy, tia tới 1 khi từ không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một
góc là
max
θθ
>
, ứng với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn
01
ϕϕ
<
khi đến mặt phân chia sẽ
khúc xạ ra vùng vỏ và bị tiêu hao, không truyền dọc theo sợi. Tia tới 2 khi đi vào lõi
sợi lập với trục sợi một góc
max
θ
ứng với góc tới hạn

0
ϕ
nên đến mặt giới hạn sẽ truyền
dọc theo mặt này. Còn tia thứ 3 khi truyền từ ngoài không khí vào lõi sợi lập với trục
sợi một góc
max
θθ
<
sẽ ứng với góc tới lớn hơn góc tới hạn
03
ϕϕ
>
nên sẽ phản xạ
toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia và truyền dọc theo lõi sợi quang. Do đó góc
max
θ

được gọi là góc tiếp nhận cực đại ánh sáng và khẩu độ số của sợi được định nghĩa là:
max
sin
θ
=NA
(2.6)
Theo định luật khúc xạ ta có:
( )
0
2
1010
0
1max0

sin1cos90sinsin
ϕϕϕθ
−==−= nnnn
(2.7)
Vì chiết suất của không khí n
0
=1, và góc tới hạn được tính theo biểu thức:
1
2
0
sin
n
n
ϕ
, nên độ mở số được tính là:
GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 9 SVTH: Nguyễn Thị Duyên