Bài giảng cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang - chu công cẩn,

Chu C«ng CÈn
Bμi gi¶ng
Hµ Néi – 2007
Lời nói đầu
Ngày nay trong xu hớng hội nhập toàn cầu, nhu cầu trao đổi thông
tin ngày càng phát triển. Các dịch vụ thông tin ngày càng tăng cả về số
lợng và chất lợng, chúng hết sức đa dạng về tốc độ cũng nh dung
lợng, từ các dịch vụ thông tin băng tần hẹp nh Telex, Fax, thoại đến
các dịch vụ thông tin băng tần rộng nh thoại hình, truyền hìnhVới
nhu cầu này, các hệ thống thông tin cần phải có tốc độ và dung lợng
cao để sẵn sàng đáp ứng mọi nhu cầu dịch vụ mà vẫn bảo đảm chất
lợng theo yêu cầu. Đây là vấn đề hết sức khó khăn đối với các hệ thống
thông tin sử dụng cáp kim loại và các hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ
thống thông tin quang ra đời đã giải quyết đợc các vấn đề trên và nó đã
thể hiện đợc tính u việt hơn hẳn so với các hệ thống truyền dẫn khác.
Hệ thống thông tin quang đợc xây dựng và phát triển trên cơ sở của
các công nghệ hiện đại và tiên tiến đó là: Công nghệ quang lợng tử,
công nghệ truyền dẫn ánh sáng và công nghệ điện tử tin học. Các hệ
thống thông tin sợi quang đã thể hiện đợc những u điểm vợt trội trên
các mặt: Có dung lợng và tốc độ truyền dẫn cao, suy hao hệ thống nhỏ,
cự ly thông tin xa, chất lợng thông tin cao, tính bảo mật thông tin tốt,
kích thớc hệ thống nhỏ, cấu hình hệ thống linh hoạt Hiện tại cũng
nh trong tơng lai, hệ thống thông tin quang sẽ dần dần thay thế các hệ
thống truyền dẫn cáp kim loại. Do vậy, việc nghiên cứu và nắm bắt hệ
thống thông tin quang là vấn đề rất quan trọng và hết sức cần thiết.
Các phần tử cơ bản cấu thành hệ thống thông tin quang bao gồm các
nguồn quang, sợi quang, bộ tách sóng quang và các phần tử đấu nối.
Việc nghiên cứu các phần tử phải đợc phân tích và đánh giá một cách
đầy đủ từ cấu trúc, các thông số đặc tính đến khả năng ứng dụng của
chúng trên hệ thống thông tin quang. Các vấn đề nêu trên chính là cơ sở

kỹ thuật để phân tích, đánh giá và thiết kế các hệ thống thông tin quang
đáp ứng đầy dủ các yêu cầu về kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhng cuốn sách không thể tránh
khỏi những thiếu sót trong quá trình biên soạn, tác giả rất mong nhận
đợc sự đóng góp ý kiến phê bình của các đồng nghiệp và bạn đọc để có
thể hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về hộp th:
hoặc Bộ môn Kỹ thuật thông tin P.706A7 Đại
học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội.
Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2007
Tác giả
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
5
Chơng 1
Tổng quan về hệ thống thông tin quang
1.1 Khái quát chung
Từ xa xa, một trong những điều quan tâm chủ yếu trong cuộc sống
của loài ngời là tìm ra các hệ thống thông tin để gửi đi các bản tin từ
nơi này đến nơi khác. Bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng gồm các
phần tử cơ bản nh trên hình vẽ 11
Hình 11: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin
Các phần tử này cũng bao gồm cả nơi đầu tiên của nguồn tin là nơi
đa một bản tin tới máy phát. Máy phát tập hợp các bản tin trong kênh
truyền dẫn ở cùng một dạng tín hiệu và sắp xếp theo đặc tính của kênh.
Kênh truyền dẫn là cầu nối khoảng cách trung gian giữa máy phát và
máy thu, nó có thể là các đờng truyền dẫn nh cáp kim loại, ống dẫn
sóng, hoặc truyền dẫn trong không khí. Khi tín hiệu lan truyền trong
kênh truyền dẫn nó có thể bị ảnh hởng tới hai mặt đó là bị suy giảm và
bị biến dạng tín hiệu theo sự tăng của khoảng cách truyền lan. Chức

năng của máy thu là thu nhận tín hiệu đã bị suy yếu và méo dạng từ kênh
truyền dẫn, khuếch đại chúng và hồi phục chúng trở lại nguyên dạng
giống nh trớc khi chúng đợc chuyển đến nơi nhận tin.
1.1.1 Các hình thức của các hệ thống thông tin
Trong lịch sử thông tin có rất nhiều các hệ thống thông tin xuất hiện.
Sự thúc đẩy chủ yếu sau mỗi một dạng mới là cải tiến cách thức truyền
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
6
Optical Fiber Communication
dẫn cũ nhằm tăng số lợng đờng kênh, tốc độ số liệu để có thể gửi đi
đợc nhiều bản tin hơn nữa hoặc là tăng cự ly giữa các trạm chuyển tiếp.
Trớc thế kỷ 19 tất cả các hệ thống thông tin đều có tốc độ chậm và
chủ yếu là âm thanh và quang học nh dùng tù và, trống, kèn và đèn tín
hiệu. Một trong những đờng truyền dẫn quang sớm nhất đợc ngời ta
biết tới đó là lửa của ngời Hy lạp sử dụng vào thế kỷ thứ 8 trớc công
nguyên để gửi đi các tín hiệu báo động gọi nhau khi cần cấp cứu hoặc
thông báo về các sự kiện xảy ra, ở đây duy nhất chỉ có một kiểu tín hiệu.
Trong thế kỷ thứ 4 trớc công nguyên, thông tin đợc truyền qua các
10 m
1 m
10
14
Hz
Tử ngoại
Nhìn thấy
Hồng ngoại
Thoại
Dữ liệu
Video

Tia Laser
Sợi quang
800 nm
2.55mm
Các ứng dụng. Môi trờng truyền dẫn.
10
15
Hz
10
6
m
Sóng
Milimeter
1 cm
Siêu cao tần
(SHF)
10 cm
Tần số cực cao
(UHF)
Tần số rất cao
(VHF)
Tần số cao
(HF)
Trung tần
(MF)
Tần số thấp
(LF)
Tần số rất thấp
(VLF)
Âm tần

100 m
1 km
10 km
100 k m
Hàng hải
Vệ tinh Vệ tinh
Chuyển tiếp viba
Trạm mặt đất V.tinh
Radar
UHF TV
Mobile Radio
Hàng không, Mobile
VHF TV & FM
Thơng mại
Radio nghiệp d
Quốc tế
AM phát thanh
Hàng không, Cáp
ngầm, Hàng hải, Vô
tuyến đại dơng
Điện thoại
Điện báo
100 GHz
10 GHz
1 GHz
100 MHz
10 MHz
1 MHz
100 KHz
10 KHz

1 KHz
ống dẫn sóng
Cáp đồng
Cáp đối
xứng
Viba
Vô tuyến
sóng ngắn
Vô tuyến
sóng dài
Hình 12: Các ví dụ ứng dụng hệ thống thông tin liên lạc
trong phổ điện từ.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
7
trạm chuyển tiếp và vào khoảng năm 150 trớc công nguyên các tín
quang này đợc mã hoá trong sự giao tiếp theo một quy luật nhất định để
bất kỳ một bản tin nào cũng có thể đợc gửi đi. Song sự tiến triển của
các hệ thống thông tin này là không tích cực vì có sự hạn chế về công
nghệ do máy thu tin là mắt ngời đòi hỏi hớng nhìn theo đờng thẳng
và do tác động của khí quyển nh ma, mây mù, sơng làm cho đờng
truyền không đáng tin cậy. Vì vậy khi này ngời ta chuyển sang hình
thức thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn là gửi tin bằng hình thức qua
ngời đa th trên các con đờng.
10
21
10
18
10

15
10
12
10
9
10
6
10
3
Tần số, Hz
1Hz 1KHz 1MHz 1GHz 1THz
10
12
10
9
10
6
10
3
1.0 10
3
10
6
Tia
gamma
1km
1m
1mm 1nm
1mm
Tia X

Tử ngoại
Hồng ngoại
Cực ngắn
ánh sáng
TV
Radio
a)
Tần số x 101
4
, Hz
7.5
Tím
400
Vàng
500
Đỏ
600
Da cam Lục Lam
4.3
700
Bớc sóng, m
Bớc sóng, nm
b)
Hình 13: Phổ điện từ
a) Phân bố tần số và bớc sóng; b) Phần nhìn thấy của phổ điện
từ.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
8
Optical Fiber Communication

Sự phát minh ra máy diện báo do Samuel F.B More vào năm 1838 đã
báo hiệu một kỷ nguyên thông tin mới đó là kỷ nguyên của thông tin
điện. Dịch vụ điện báo thơng mại đầu tiên đợc sử dụng dây kim loại
đợc thực hiện vào năm 1844 và sau đó nó đợc phát triển nhanh chóng
và rộng rãi trên khắp thế giới. Việc sử dụng cáp kim loại trong truyền
dẫn tin đợc mở rộng cùng với sự lắp đặt tổng đài điện thoại đầu tiên ở
New Haven, Conecticut năm 1878.
Năm 1887 Henrich Hertz phát minh ra sự bức xạ sóng điện từ ở bớc
sóng dài và vấn đề này đợc chứng minh về Radio của Guylielmo
Marconi năm 1895. Trong những năm sau đó phổ của sóng điện từ đợc
lợi dụng để truyền đạt tin tức từ nơi này đến nơi khác, tin tức số liệu
đợc truyền trên các kênh thông tin bằng cách xếp chồng các tín hiệu
trong một bộ phận làm biến đổi sóng điện từ và nó đợc biết nh là sóng
mang. Tại nơi nhận thì tin tức đợc tách khỏi sóng mang và chế biến
theo yêu cầu. Việc tăng tần số sóng mang trong băng tần truyền dẫn sẵn
có làm tăng khả năng thông tin lớn hơn. Vì vậy khuynh hớng phát triển
của các hệ thống thông tin điện là dùng các tần số cao hơn và tăng dần
(tơng đơng với dùng sóng ngắn hơn) tạo ra tăng các giao tiếp trong
băng tần. Khả năng thông tin đợc nâng lên, đây là bớc ngoặt dẫn đến
sự ra đời của TV, radar và các đờng vi ba.
Phần phổ của sóng điện từ đợc dùng trong thông tin điện đợc trình
bày nh hình vẽ 12. Tần số trong phạm vi ứng dụng từ khoảng 300Hz
trong băng âm tần đến khoảng 90GHz trong băng sóng milimeter. Môi
trờng truyền dẫn sử dụng trong phổ bao gồm ống dẫn sóng, dây kim
loại và không gian. Các hệ thống thông tin dùng các đờng truyền này là
tập hợp các máy điện thoại, máy phát thanh AM, FM, truyền hình
(television), băng sóng radio của dân nghiệp d CB (citizen's band
radio), radar, các đờng vệ tinh (Satellite links)
Một phần quan trọng khác của phổ sóng điện từ bao quanh miền
quang học, trong miền này theo lệ thờng ngời ta dùng ký hiệu bớc

sóng để thay thế cho tần số. Phổ quang học đợc sắp xếp từ khoảng
50nm (miền cực tím) đến khoảng 100 mm (miền hồng ngoại), trong đó
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
9
phổ ánh sáng nhìn thấy (bằng mắt ngời) từ 400 đến 700 nm. Ngời ta
đã sử dụng một số vùng bớc sóng trong phổ quang học cho một hệ
thống thông tin sợi quang.
1.1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang
Từ xa xa con ngời đã biết dùng ánh sáng để thông tin cho
nhau trong chiến tranh cũng nh trong đời sống (nh đốt lửa làm hiệu,
đèn hải đăng ) nhng lúc đó khái niệm thông tin quang vẫn cha hình
thành.
Năm 1880 Alexander Graham Bell phát minh ra Photophone.
Ông đã truyền tiếng nói trên một chùm sáng bằng cách hội tụ một chùm
sáng hẹp vào một cái gơng mỏng. Khi sóng âm tác động làm cho gơng
chuyển động làm biến đổi tơng ứng năng lợng quang từ gơng truyền
tới bộ tách quang Selen do đó làm thay đổi điện trở của nó và vì vậy
cờng độ dòng điện trong ống nghe thay đổi để thu đợc tiếng nói. Bell
đã sử dụng phát minh của mình để truyền tín hiệu tiếng nói trên 700 feet
chiều dài. Tuy vậy cho đến những năm 1950 thông tin quang vẫn còn
nằm trong khái niệm. Năm 1950, B.OBrian lần đầu tiên đã sử dụng các
bó sợi quang để truyền hình ảnh nhng sợi quang có suy hao lớn nên
không sử dụng đợc trong thực tế. Đến giữa năm 1960 tổn hao sợi vẫn
còn ở khoảng 1000 dB/km.
Năm 1960 ra đời Laser hồng ngọc và tiếp theo là sự ra đời của
Laser bán dẫn năm 1962 và các hệ thống thông tin quang đầu tiên ra đời
với môi trờng truyền dẫn là không khí. Do các tham số truyền dẫn của
môi trờng thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không

ổn định và bị gián đoạn không thể chấp nhận đợc.
Năm 1966, tại Standard Telecommunications Laboratories (nớc
Anh) những nhà nghiên cứu cho rằng có thể giảm tổn hao sợi xuống còn
20dB/km và sử dụng đợc để truyền dẫn thông tin bằng cách khử tạp
chất trong thủy tinh. Năm 1970, Mauner, D.B.Keck và Schultz tại
Corning Glass Works đã chế tạo thành công những sợi quang đầu tiên có
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
10
Optical Fiber Communication
suy hao nhỏ hơn 20 dB/km và cuộc cách mạng công nghệ sợi quang bắt
đầu.
Năm 1970 các hệ thống thông tin sợi quang xuất hiện chủ yếu
dùng cho quân đội. Đến năm 1977 hệ thống Bell Laboratories Lighguide
đợc lắp đặt tại Chicago dùng để cung cấp dịch vụ thoại, số liệu analog,
số liệu digital, điện thoại hình và dịch vụ Video 4 MHz cho khách hàng
tại Chicagos Brunsnich Building. Cũng năm 1977, NTT đã công bố sản
xuất đợc loại sợi có tiêu hao 0.5 dB/km tại bớc sóng l = 1200nm.
Năm 1978 xuất hiện sợi chiết suất biến đổi có tiêu hao 3 á 5
dB/km sử dụng cho cả quân sự lẫn dân sự và bắt đầu xây dựng những
tiêu chuẩn cho các hệ thống này của các khối SAE, NATO, EFA. Năm
1980 và 1982 các hệ thống thông tin đờng trục 45 Mbit/s và 90 Mbit/s
sử dụng sợi quang đã đợc lắp dặt.
Năm 1983 AT&T đã chế tạo thành công sợi đơn mode.
Năm 1985 sản xuất đợc sợi quang công tác tại bớc sóng l=
1550nm và dung lợng hệ thống năm 1986 đã bắt đầu tăng đến 560
Mbit/s, cũng năm 1986 ra đời hệ thống 1.2 á 2.4 Gbit/s.
Năm 1985 tại các thành phố Dallas và Newyork đã lắp đặt hệ thống
siêu đờng trục gồm 8 kênh video/1sợi và năm 1987 là 16 kênh
video/1sợi.

Mãi đến năm 1989 các hệ thống vẫn dựa trên cơ sở ghép kênh không
đồng bộ, chủ yếu dựa vào các chuẩn giao tiếp DS1 và DS3, cha có
chuẩn giao tiếp mạng.
Năm 1988 xuất hiện các chuẩn giao tiếp mạng quang đồng bộ gọi tắt
là SONET, cùng trong năm này xuất hiện tiêu chuẩn của mạng nội bộ
LAN.
Cuộc cách mạng thời cận đại của thông tin sợi quang chủ yếu tập
trung vào truyền dẫn kết hợp cho phép mang các sóng quang đã điều chế
giống nh sóng vô tuyến với tốc độ số liệu lên tới trên 10 Gbit/s.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
11
Thế hệ đầu tiên công tác ở bớc sóng 800 nm sử dụng nguồn quang
cơ bản là GaAs, bộ thu là silicon diode, và dùng sợi quang đa mode. Tốc
độ truyền dẫn của thế hệ thứ nhất là 45 Mbit/s và 90 Mbit/s ở Mỹ, 34
Mbit/s và 140 Mbit/s ở Châu âu, 32 Mbit/s và 100 Mbit/s ở Nhật với
khoảng lặp là 10 Km.
Thế hệ thứ hai sử dụng bớc sóng 1300 nm cho phép tăng thực sự
khoảng lặp trên các tuyến đờng dài với việc dùng duy nhất sợi quang
đơn mode có tiêu hao thấp và điều quan trọng là băng tần truyền dẫn
rộng hơn. Tốc độ bit với cự ly dài là từ 400 Mbit/s đến 600 Mbit/s và có
thể tới 4Gbit/s trên cự ly trạm lặp 40 Km. Đờng cáp quang thả biển đầu
tiên gọi là TAT 8 hoạt động năm 1988 công tác ở bớc sóng 1300 nm,
tốc độ bit 296 Mbit/s, dùng sợi đơn mode. Trong mạng nội hạt, mạng
vùng cả hai loại sợi đơn mode và đa mode đều đợc dùng ở bớc sóng
1300 nm với tốc độ từ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s trên khoảng cách thay
đổi từ 500m đến 10 Km.
Thế hệ thứ ba và thứ t hoạt động ở bớc sóng 1550 nm cho phép
tiêu hao trên tuyến là nhỏ nhất. Các thế hệ này đã lôi cuốn nhiều sự chú

ý đối với các tuyến truyền dẫn tốc độ cao trên đất liền và dới biển. Cả
hai loại điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp đều đợc xem xét ở bớc
sóng 1550 nm. Sự điều chế kết hợp cống hiến cho chúng ta những tiến
bộ quan trọng trong các máy thu có độ nhạy cao và nó cho phép sử dụng
cân bằng điện để đền bù cho các tác động của việc truyền năng lợng
quang trong sợi quang.
Mặc dù có sự tăng trởng nhanh chóng và thành công trong các ứng
dụng nhng công nghệ sóng ánh sáng vẫn không dừng lại. Xa hơn là các
hệ thống thông tin mà ở đó tất cả đều dùng các thiết bị quang bao gồm
chuyển mạch quang, trạm lặp quang và các đơn vị tiếp cận mạng Các
ứng dụng bao gồm cả mạng cục bộ (LAN), các mạch vòng thuê bao, các
mạng phân phối truyền hình. Thêm nữa có sự nghiên cứu sợi quang phi
tuyến để loại bỏ các tác động làm rối loạn ánh sáng làm tăng khoảng
cách các trạm lặp từ hàng trăm Km tới hàng ngàn Km.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
12
Optical Fiber Communication
1.2 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang
1.2.1 Nguyên lý tổ chức hệ thống thông tin quang
Một hệ thống truyền dẫn quang đợc tổ chức nh hình vẽ 14.
Hình 14: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang
Từ hệ thống tổng quát ta có một số nhận xét sau:
1. Nguồn tin: Cũng nh các hệ thống thông tin điện nguồn tin là các
dạng thông tin thông thờng nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản,
âm thanh
2. Phần điện tử: Để xử lý nguồn tin, tạo ra các tín hiệu điện phù hợp
với các kênh truyền đa vào hệ thống truyền dẫn. Các tín hiệu điện này
có thể là tín hiệu tơng tự (analog) hoặc các tín hiệu số (digital).
3. Bộ biến đổi điện quang (E/O): Thực hiện việc biến đổi tín hiệu

điện thành tín hiệu quang để phát đi. Trong hệ thống thông tin quang
cũng có những phơng thức điều biến khác nhau. Các hệ thống hiện
đang sử dụng trên mạng sử dụng phơng thức điều biến trực tiếp tín hiệu
điện vào cờng độ bức xạ quang. Còn các hệ thống thông tin quang kết
hợp (Coherence) trong tơng lai sẽ sử dụng nguyên lý điều biến gián tiếp
bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ kết hợp.
4. Sợi quang (OF): Là môi trờng truyền dẫn tín hiệu quang, cũng
nh các môi trờng truyền dẫn khác nó phải thoả mãn các yêu cầu nh
suy hao tín hiệu phải bé, méo tín hiệu phải nhỏ, băng thông phải rộng
5. Bộ biến đổi quang điện (O/E): Là bộ thu quang, đón nhận tín hiệu
quang thu đợc từ sợi quang và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện đa
vào phần điện tử để biến đổi thành nguồn tin ban đầu.
6. Tải tin: Tải tin trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng, nó
cũng là sóng điện từ nhng có tần số rất cao từ 10
14
đến 10
15
Hz do vậy
rất thuận lợi cho việc truyền tải các tín hiệu băng rộng.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
13
7. Về chuyển tiếp tín hiệu: Trên đờng truyền các tín hiệu quang bị
suy giảm do đó sau một khoảng cách nhất định phải đặt trạm lặp để
chuyển tiếp tín hiệu. Hiện tại cha thực hiện đợc khuếch đại tín hiệu
quang nên tai các trạm lặp phải thực hiện theo các bớc cơ bản sau:
Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện
Khôi phục, sửa dạng tín hiệu điện
Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi.

8. Khả năng truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của bất kỳ một hệ
thống thông tin nào cũng đều đợc đánh giá bằng hai đại lợng sau:
Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn đợc
Cự ly trạm lặp
Hệ thống thông tin quang đã vợt xa các hệ thống thông tin khác ở
cả hai yêu cầu trên. Xu hớng các hệ thống quang là ngày càng truyền
dẫn với dải rộng và cự ly khoảng lặp ngày càng rất lớn. Hai đại lợng
trên đợc xác định bởi nhiều yếu tố nh:
Tiêu hao và tán xạ của sợi dẫn quang
Công suất bức xạ, độ rộng phổ và tốc độ điều biến của nguồn
quang
Độ nhạy, nhiễu nội bộ của máy thu quang
Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến thông tin
quang
1.2.2 Các phần tử cơ bản của tuyến truyền dẫn quang.
Để nhìn nhận một cách đầy đủ về hệ thống thông tin sợi quang ta
xem xét các phần tử cơ bản nhất có trên một tuyến truyền dẫn cáp
quang. Một tuyến truyền dẫn cáp quang bao gồm các phần tử cơ bản nh
trên hình vẽ 15.
Máy phát quang (Transmiter): bao gồm nguồn quang (Light
source) và mạch điều khiển (Drive circuit)
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
14
Optical Fiber Communication
Cáp quang
Máy thu quang bao gồm: bộ thu quang (Photodetector), Bộ khuyết
đại (Amplifer), bộ khôi phục tín hiệu (Signal restorer)
Trạm lặp (Repeater): bao gồm bộ thu quang (optical receiver), bộ
điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát

quang (optical transmitter)
Các phần tử phụ: Các bộ nối (connector), mối nối (Splice), các bộ
tách ghép luồng quang (Optical coupler or beam splitter)
Tất cả các phần tử cơ bản trên sẽ đợc xem xét, thảo luận cụ thể
trong các phần sau.
Hình 15: Các phân tử cơ bản của hệ thống thông tin quang
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
15
1.3Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang.
Sự trởng thành và các khả năng rộng lớn của các hệ thống thông tin
cáp quang là sự tập hợp các công nghệ tân tiến và hiện đại nh:
Các công nghệ bán dẫn, nó cung cấp cho hệ thống các nguồn quang
cần thiết với cờng độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi
trờng Các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ
năng lợng thấp
Công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi trờng truyền
dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hởng can
nhiễu, băng thông rộng
Kết quả là một đờng nối truyền dẫn tin có các u điểm vợt trội so
với các hệ thống thông tin điện, đặc biệt so với hệ thống thông tin truyền
dẫn bằng cáp kim loại. Các u điểm đó bao gồm các vấn đề sau:
1. Tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng:
Sợi quang có các tiêu hao truyền dẫn thấp hơn và băng tần truyền
dẫn rộng hơn so với cáp đồng. Điều này có nghĩa là hệ thống cáp quang
có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn do vậy làm giảm
số lợng sợi và giảm số lợng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lợng
thiết bị và các phần tử hợp thành, giảm giá thành và sự phức tạp của hệ
thống.

2. Trọng lợng và kích thớc nhỏ:
Trọng lợng và kích thớc nhỏ của sợi quang đa ra những thuận lợi
rất lớn so với hệ thống cáp kim loại nặng nề, cồng kềnh đặc biệt các
tuyến cáp đi trong cống ngầm trong thành phố đông đúc. Điều này cũng
rất quan trọng trong công nghệ máy bay, vệ tinh và tàu bè, nơi mà cáp
nhẹ, nhỏ có nhiều thuận lợi. Đồng thời đặc tính này có ứng dụng trong
chiến thuật quân sự, nơi mà số lợng lớn của cáp phải khôi phục một
cách nhanh chóng.
3. Sự miễn nhiễu ngoài:
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
16
Optical Fiber Communication
Một đặc tính quan trọng đặc biệt của cáp quang có liên quan tới tính
cách điện tự nhiên của chúng. Điều này làm cho cáp quang có tính miễn
nhiễu điện từ từ bên ngoài (EMI), nh vậy sự cảm ứng từ ngoài vào do
các sóng điện từ trên các sợi kim loại và do sấm sét là không có. Đồng
thời tín hiệu truyền trên cáp quang cũng không gây nhiễu ra ngoài.
4. Tính cách điện:
Do sợi cáp quang đợc chế tạo từ thủy tinh là chất điện môi nên
không phải lo lắng về sự sự chạm đất, chạm chập nhau giữa các sợi,
xuyên âm rất thấp, và các vấn đề về thiết bị giao tiếp là đơn giản. Cáp
quang không nên đánh lửa điều này cũng làm lôi cuốn việc sử dụng cáp
quang để không gây nguy hiểm cho môi trờng.
5. An toàn cho tín hiệu:
Bằng việc dùng cáp quang, một mức độ cao của số liệu có thể cáng
đáng đợc, ở đó tín hiệu quang đợc tiếp xúc tốt với môi trờng dẫn
sóng. Do vỏ bọc sợi quang là không thấu quang nên khó tiếp xúc đợc
với tín hiệu truyền lan trong sợi. Điều này làm lôi cuốn dùng cáp quang
trong các ứng dụng mà ở đó tin tức quan trọng đợc bảo đảm nh là ở

nhà băng, mạng máy tính và ở hệ thống quân sự.
6. Sự phong phú về nguyên liệu:
Silic là vật liệu chủ yếu để chế tạo cáp quang, nguyên liệu này rất
phong phú và rẻ, có thể tìm thấy nó ở các bãi cát thờng. Chi phí trong
việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh chủ yếu trong quá trình chế tạo thủy
tinh cực sạch từ vật liệu thô. Cũng chính từ sự phong phú về nguyên liệu
mà gía thành của cáp thấp dẫn tới giá thành của hệ thống cũng giảm
theo, nhất là đối với các tuyến thông tin đờng dài mà ở đó giá thành của
hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào cáp.
Với tất cả các u điểm cố hữu của các hệ thống thông tin sợi quang,
mà hiện nay các hệ thống này đã phát triển không ngừng và rộng rãi
khắp trên thế giới. Chỉ hơn hai thập kỷ qua đã có hàng hơn chục triệu
Km cáp quang đợc xây dựng ở trên thế giới với các đờng cáp xuyên
đại dơng, xuyên lục địa và xuyên quốc gia có tốc độ cực cao và dung
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
17
lợng cực lớn. Tại Việt nam các hệ thống các quang cũng phát triển
không ngừng hàng chục ngàn Km cáp quang đã, đang xây dựng đặc biệt
trong đó có tuyến cáp quang đờng trục Bắc Nam với tốc độ 2Gbit/s sử
dụng kỹ thuật truyền dẫn SDH (Synchronous Digital Hierarchy) và tuyến
thông tin quang biển T V H (Thái lan Việt nam Hồng công), tuyến
SeaMeWe3 góp phần hiện đại hoá ngành Viễn thông Việt Nam đáp ứng
đợc nhu cầu thông tin liên lạc trong nớc và quốc tế, hoà nhập với
mạng viễn thông của các nớc trong khu vực và mạng viễn thông trên
thế giới.
1.4 Phân loại hệ thống thông tin quang
1.4.1 Phân loại
Các hệ thống thông tin quang hiện nay đợc thiết kế và chế tạo nhằm

truyền đa một khối lợng thông tin lớn trong một dải tần rộng. Trong
dải băng tần đó có cả các tín hiệu dải rộng nh tín hiệu truyền thanh chất
lợng cao, tín hiệu truyền hình có độ phân dải cao
Các hệ thống thông tin quang có thể đợc phân chia theo một số các
tiêu chuẩn khác nhau.
1.4.1.1 Phân theo dạng tín hiệu điện.
Tuỳ theo tín hiệu điện đợc đa vào điều biến với nguồn quang là tín
hiệu tơng tự (analog) hay tín hiệu số (Digital) mà ta có hệ thống thông
tin quang tơng tự hay hệ thống thông tin quang số.
Với các hệ thống truyền dẫn quang tơng tự ít đợc sử dụng và thiết
kế để truyền dẫn băng tần tín hiệu rất rộng với nhiều nguyên nhân sau:
Đặc tính không tuyến tính của các nguồn quang và phần tử thu
quang.
Đặc tính tán xạ của sợi quang
Với các hệ thống thông tin quang số hiện nay đợc sử dụng phổ biến
thực hiện truyền dẫn các tín hiệu số dới dạng ghép kênh cơ sở điều chế
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
18
Optical Fiber Communication
xung mã PCM theo các tiêu chuẩn ghép kênh cận đồng bộ PDH
(Pleisynchronous Digital Hierarchy) và tiêu chuẩn ghép kênh đồng bộ số
SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
1.4.1.2 Phân loại theo phơng pháp điều biến và giải điều tín hiệu
quang
Dựa trên các nguyên lý điều biến nguồn quang ở máy phát
(Transmitter) và nguyên lý tách quang tại máy thu (Receiver), ngời ta
chia làm hai loại hệ thống thông tin quang
1. Hệ thống điều chế cờng độ trực tiếp.
Hệ thống này thực hiện điều biến trực tiếp tín hiệu điện vào cờng

độ bức xạ của nguồn quang. Tại đầu thu tách ra tín hiệu điện trực tiếp
trên các phần tử thu quang từ công suất quang thu đợc từ sợi đa vào.
Hệ thống điều chế cờng độ trực tiếp phục vụ rộng rãi trong mạng viễn
thông từ những năm 1978, đầu tiên đợc truyền trên các sợi đa mode với
tốc độ thấp, sau đó do nhu cầu cần phải tăng tốc độ truyền dẫn và kéo
dài cự ly khoảng lặp cho nên tiến tới sử dụng sợi quang đơn mode. Tuy
nhiên các hệ thống sử dụng sợi đa modevẫn có hiệu lực tốt trong các
tuyến nội hạt có cự ly khoảng lặp nhỏ. Những hệ thống truyền dẫn với
tốc độ cực cao thì chúng bị hạn chế cả về độ nhạy, độ rộng băng tần, và
cự ly khoảng lặp. Hiện nay hầu hết các hệ thống đang sử dụng trên mạng
lới viễn thông đều sử dụng nguyên lý này.
2. Hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent).
Nguyên lý này sử dụng việc điều biến gián tiếp nguồn quang tại đầu
phát: luồng tín hiệu điện và luồng ánh sáng đơn sắc đợc đa vào điều
biến trong bộ điều biến quang. Tại đầu thu cũng cần có một nguồn
quang đơn sắc hoàn toàn độc lập với nguồn quang tại đầu phát. Luồng
tín hiệu quang thu đợc từ sợi quang cùng với luồng quang đơn sắc của
bộ phát quang đa vào bộ trộn là một diode quang để đa ra một tần số
trung gian sau đó đa đến mạch tách sóng quang để lấy ra tín hiệu điện
ban đầu.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
19
Tín hiệu điện cần phát đợc điều biến với nguồn phát quang có bớc
sóng l
1
tơng ứng với tần số quang f
1
, ở đây phơng thức điều biến có

thể là phơng thức điều biến biên độ, điều biến tần số hay điều biến pha.
Tại đầu thu có bộ phát quang nội bức xạ ra ánh sáng có bớc sóng l
0
tơng ứng với tần số quang nội f
0
. Cả hai tín hiệu, tín hiệu thu f
1
và tín
hiệu quang nội f
0
đợc đa vào bộ trộn là một diode thu quang để lấy ra
một tần số trung gian ờf
1
f
0
ờ. Tần số trung gian cần lớn khoảng 10GHz
để đủ tải mang một tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn, song
cũng không đợc quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại của mạch
điện tử. Để thu đợc các tải tần phát khác nhau thì tần số quang nội f
0
có
thể điều chỉnh đợc để giữ cho tần số trung gian không đổi. Sau quá
trình tách sóng và lọc sẽ thu đợc tín hiệu điện ban đầu. Nguyên lý này
gọi là nguyên lý thu ngoại sai Heterodyl.
Hình 16: Nguyên lý điều biến gián tiếp nguồn quang
Trờng hợp f
1
= f
0
khi này tần số trung gian bằng không và ở đầu ra

có ngay tín hiệu điều biến ban đầu. nguyên lý này gọi là nguyên lý thu
Homodyl. Xét về độ ổn định thì nguyên lý thu Homodyl thuận lợi hơn
thu Heterodyl, ngời ta có thể truyền tín hiệu f
1
cha điều biến trên một
sợi quang riêng biệt để làm tần số quang nội do vậy bảo đảm f
1
= f
0
.
So với phơng pháp điều chế trực tiếp thì nguyên lý thu Coherent
cho phép tăng đáng kể cự ly khoảng lặp và đạt đợc giới hạn tối đa băng
tần truyền dẫn của sợi quang. Tuy nhiên việc thiết kế chế tạo các thiết bị
của hệ thống là vô cùng phức tạp.
1.4.1.3 Phân theo tốc độ và cự ly truyền dẫn.
Khi này chủ yếu đề cập tới hệ thống thông tin quang đờng dài. Các
hệ thống thông tin quang đờng dài chủ yếu đợc sử dụng trên mạng
viễn thông gồm các mạng kết nối truyền dẫn giữa các vùng, mạng trung
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
20
Optical Fiber Communication
kế giữa các tổng đài, mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và cả
mạng phân phối truyền hình Mục đích của việc nghiên cứu thiết kế chế
tạo của các hệ thống truyền dẫn cáp quang là tạo ra các hệ thống có
dung lợng lớn, tốc độ truyền dẫn cao, khoảng lặp xa
Trong các hệ thống đờng dài của cáp quang thì cáp quang là phần
tử quyết định giá cả. Để tăng cự ly khoảng lặp, giảm các thiết bị trung
gian thì cần có cáp có tiêu hao nhỏ, các phần tử thu và phát quang có
công suất phát lớn, độ nhạy cao và các bộ nối đắt tiền. Ngời ta phân

chia một cách tơng đối nh sau:
1. Hệ thống có dung lợng truyền dẫn nhỏ và trung bình, tốc độ thấp
2 Mbit/s, 8 Mbit/s, 34 Mbit/s đợc sử dụng trên mạng thuê bao và mạng
trung kế giữa các tổng đài với cự ly truyền dẫn ngắn vài Km trong mạng
thành phố và từ 20 đến 30 Km ở mạng nông thôn không có khoảng lặp
2. Hệ thống có dung lợng lớn với tốc độ truyền dẫn 140 Mbit/s sử
dụng trên mạng trung kế giữa các tổng đài có cự ly truyền dẫn từ 10 đến
30 Km không có trạm lặp
3. Các hệ thống liên tỉnh với dung lợng rất lớn tốc độ từ 140 Mbit/s
trở lên, cự ly truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuối, trạm
lặp có cự ly khoảng lặp từ 50 đến 100 Km
4. Các hệ thống xuyên quốc gia, xuyên lục địa với tốc độ và dung
lợng cực lớn nối liền nhiều quốc gia với nhau. Tốc độ của các hệ thống
này có thể từ 280, 420, 565, 2400 Mbit/s và cự ly trạm lặp có thể t 50
đến 400 Km.
Trong các hệ thống cự ly ngắn thì cáp quang không có vai trò quyết
định giá cả mà ngợc lại là các bộ nối và các linh kiện thu phát quang.
Tại đây có thể sử dụng các sợi quang đa mode SI, GI. Công suất quang
cũng không cần lớn lắm nên có thể dùng các diode phát quang LED. Tốc
độ truyền dẫn không cao nên diode thu quang có thể không cần các loại
có độ nhạy cao và băng rộng, có thể dùng loại diode thu PIN. Xu hớng
của các hệ thống thông tin quang cự ly ngắn là sử dụng hệ thống truyền
dẫn tốc độ 34 Mbit/s và 140 Mbit/s với các sợi quang đơn mode.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
21
1.4.2 Phạm vi ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang
Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang đợc sử dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực.

Trong lĩnh vực thông tin các hệ thống truyền dẫn quang đợc ứng
dụng vào các tuyến trung kế giữa các tổng đài điện thoại, đờng trục với
dung lợng lớn và cự ly xa
Trong mạng số dịch vụ tổng hợp truyền dẫn quang còn đợc sử dụng
vào miền thuê bao để cho phép truyền dẫn các loại thông tin khác nh
âm thanh, hình ảnh, số liệu các loại
Trong mạng truyền hình cáp, sợi quang đợc sử dụng có hiệu quả
thay thế cho việc truyền dẫn qua không gian và cáp đồng trục
Ngoài ra các hệ thống truyền dẫn quang cũng đợc sử dụng trong
các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn để truyền các số liệu đo lờng, tín
hiệu điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc tất cả các thông
tin văn phòng trong phạm vi mạng Local Area Network (LAN).
1.5 Mô hình đặc tính của hệ thống
Mục đích của mô hình đặc tính là để phân tích đặc tính của các
thành phần và các kỹ thuật xử lý đã chọn phù hợp với mô hình này. ở
đây cũng đa ra một số tham số đặc trng đợc xác định tại những giao
tiếp khác nhau trong mô hình. Và không chỉ có các tham số đối với các
kênh truyền dẫn số mà còn có các tham số đối với các kênh truyền dẫn
tơng tự.
Hai đặc tính điển hình của truyền dẫn tơng tự (Analog) là:
Tỷ số tín hiệu/nhiễu: S/N
Độ rộng băng tần: BW
Hai đặc tính điển hình đối với hệ thống truyền dẫn số là:
Xác xuất lỗi đối với tín hiệu đã tách ra hoặc tỷ số lỗi bit: BER
Tốc độ truyền bit: BR
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
22
Optical Fiber Communication
Ngoài ra còn có một số tham số khác nh độ trợt (Jitter), méo sóng

hài, sự giao thoa giữa các ký hiệu.
1.5.1 Các tham số điện quang.
Khi xác định mối quan hệ giữa tín hiệu và nhiễu cũng nh đo độ
rộng băng tần có thể có sự khác nhau phụ thuộc vào vị trí đo ở phía điện
hay phía quang. Giao tiếp quang là ở lớp đờng quang, nghĩa là ở đầu ra
của nguồn quang hoặc đầu vào của máy thu quang.
1. (S/N)e và (C/N)e:
Là tỷ số tín hiệu/nhiễu và tỷ số sóng mang/nhiễu, đợc xác định và
đo tại phía điện của hệ thống. Đó chính là các tỷ số điện áp, dòng điện,
công suất điện Còn đối với tham số BER của hệ thống truyền dẫn số
luôn đợc đo sau bộ tách sóng tơng đơng với các tham số S/N.
2. Độ rộng băng tần điện (BW)e:
Là khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín hiệu nh hệ số khuếch đại
điện, các tỷ số dòng điện, điện áp nằm trong một giới hạn xác định. Hiện
nay ngời ta định nghĩa độ rộng băng tần ở 3 dB tại đó đáp ứng của tín
hiệu sụt đến 0,707 so với giá trị của nó tại tần số f = 0.
3. (S/N)
0
và (C/N)
0
:
Là tỷ số tín hiệu/nhiễu và tỷ số sóng mang/nhiễu đợc đo và xác
định tại các cổng quang của hệ thống. Nó chính là tỷ số công suất tín
hiệu quang trung bình thu đợc Pr trên công suất nhiễu quang tơng
đơng.
4. Độ rộng băng tần quang (BW)
0
:
Đây là khoảng tần số ở đó mức công suất quang nằm trong giới hạn
xác định. Thờng ngời ta sử dụng độ rộng băng tần quang ở mức sụt

quang 3 dB, tại đó công suất quang giảm 50% so với giá trị tại tần f = 0.
1.5.2 Các tham số quang và tham số đờng quang.
1. Công suất phát quang.
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
23
Đây là công suất quang từ nguồn phát quang đợc đa vào sợi quang
và đợc đo tại đầu ra của bộ ghép giữa nguồn quang và sợi cáp đuôi phía
phát. Công suất đợc biểu thị bằng công suất trung bình. Nếu gọi công
suất phát của nguồn quang là Ps thì công suất phát quang Pt đợc xác
định nh sau:
P
t
= P
s
L
i
(11)
Trong đó Li là tổn hao quang từ nguồn quang tới sợi quang.
2. Công suất quang yêu cầu tối thiểu MRP.
Nếu P
r
là công suất quang thu đợc tại đầu ra của bộ nối máy thu
(phía đờng dây) thì MRP là công suất P
r
nào đó để đạt đợc đặc tính
xác định, chúng đợc biểu thị bởi công suất trung bình hay công suất
hiệu dụng (rms).
Đặc tính của tuyến đợc xác định bằng độ lệch công suất quang yêu

cầu tối thiểu của máy thu theo công suất quang thu thực tế P
r
. Công suất
đã tách đợc P
d
và công suất đã tách đợc yêu cầu tối thiểu MDP liên
quan đến công suất tới của bộ tách quang. Mối liên quan giữa MRP và
MDP nh sau:
MDP = MRP L
d
(12)
Trong đó L
d
là tổn hao từ đầu vào của bộ nối quang thu tới bộ tách
quang.
3. Tổn hao quang
Tổn hao quang trong tuyến là tổn hao của các bộ nối, các bộ ghép,
các mối hàn và các tổn hao trong sợi quang gây ra nh tổn hao do hấp
thụ (hấp thụ của vật liệu, hấp thụ của tạp chất), sự không đồng nhất của
chiết suất, sự không đồng đều tại biên giới lõi và vỏ, tổn hao cong và vi
cong của sợi
4. Độ rộng băng tần của tuyến BW
Độ rộng băng tần của tuyến phụ thuộc vào đô rộng băng của các
phần tử quang điện và quang thụ động nh:
Độ rộng băng tần của sợi quang (BW)f
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
24
Optical Fiber Communication
Độ rộng băng tần của nguồn quang và bộ kích thích (BW)s

Độ rộng băng tần của bộ tách quang (BW)d
Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang
Chu Công Cẩn
Optical Fiber Communication
25
Chơng 2
Sợi quang
Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của bất kỳ
hệ thống thông tin quang nào. Sợi quang không những đáp ứng đợc yêu
cầu về tốc độ, độ rộng băng tần và cự ly truyền dẫn mà nó còn có khả
năng cung cấp một chất lợng truyền tín hiệu tuyệt hảo, với tính bảo mật
thông tin rất cao.
Trong chơng này sẽ trình bày một số vấn đề để nhằm đạt tới một sự
hiểu biết cơ bản về cấu trúc vật lý, đặc tính truyền dẫn ánh sáng, công
nghệ chế tạo sợi quang cũng nh cấu trúc cáp sợi quang và một số
phơng pháp đo các thông số của sợi quang.
2.1 Khái quát chung
2.1.1 Bản chất của ánh sáng
Khái niệm liên quan tới bản chất của ánh sáng đã trải nhiều biến đổi
trong suốt lịch sử phát triển của vật lý. Cho đến đầu thế kỷ thứ XVII, nói
chung đều cho rằng ánh sáng bao gồm một luồng các phần rất nhỏ đợc
phát đi bởi một nguồn cực sáng. Những phần tử nhỏ này đợc miêu tả
nh là một sự di chuyển theo đờng thẳng và chúng có thể xuyên qua vật
liệu trong suốt, nhng nó bị phản xạ từ những vật liệu mờ, không thấu
quang. Lý luận này đợc miêu tả một cách đầy đủ và chắc chắn nh các
hiện tợng phản xạ và khúc xạ, nhng thiếu sót khi giảng giải các hiện
tợng giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng.
Sự phân tích đúng đắn về hiện tợng nhiễu xạ đợc Fresnel đa ra
năm 1815, Fresnel đã trình bày rằng đặc tính truyền lan gần nh theo
đờng thẳng của ánh sáng có thể giải thích bằng sự lan truyền nh là

sóng của ánh sáng, và viền tua của sự nhiễu xạ cũng đợc giải thích một
cách tỉ mỉ.