công nghệ truyền dẫn quang và kỹ thuật định tuyến trong truyền dẫn quang

1

MỞ ðẦU
Trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang và
kỹ thuật định tuyến trong truyền dẫn quang, cụ thể là kỹ thuật lưu lượng trong mạng
quang sử dụng công nghệ MPLS.
Hiện nay, với những ưu điểm vượt trội của mình, các hệ thống thông tin quang
truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng thông hẹp và băng thông rộng, đáp ứng
yêu cầu của mạng số tích hợp dịch vụ ISDN. Hệ thống thông tin quang là một mũi
đột phá về tốc độ truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp
cao. Vấn đề định tuyến và quản lý lưu lượng là một thành phần cốt yếu, không thể
thiếu được trong cấu trúc mạng, thiết kế mạng và điều hành mạng. Vấn đề đặt ra là
định tuyến đường đi cho ánh sáng như thế nào để đạt được một mạng tối ưu. Có rất
nhiều phương pháp định tuyến, nhưng phương pháp định tuyến sử dụng kỹ thuật lưu
lượng là một phương pháp rất hiệu quả trong truyền dẫn dữ liệu trong mạng, nó điều
khiển cách thức các luồng lưu lượng đi qua mạng sao cho tối ưu hóa việc sử dụng tài
nguyên và hiệu năng của mạng, từ đó làm tăng tính hiệu quả của mạng.
Trong luận văn này, em xin trình bày đề tài: “Công nghệ truyền dẫn quang và
kỹ thuật định tuyến trong truyền dẫn quang”. Nội dung của luận văn cụ thể như sau:
- Chương 1: Giới thiệu công nghệ truyền dẫn quang.
- Chương 2: Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và kỹ thuật
định tuyến
- Chương 3: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
- Chương 4: Kỹ thuật lưu lượng MPLS-TE.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS Nguyễn Viết Nguyên, đã giúp đỡ và
tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt đề tài này.

Hà Nội, tháng 11 năm 2011
Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Ánh



2

OPENING
This thesis is focused on optical transmission technologies and routing problem
in optical transmission, particularly traffic engineering in optical networks using
MPLS technology.
Now, with its outstanding features, the optical information systems transmit all
narrow signal bandwidth and broadband services, meeting the requirements of
integrated services digital network ISDN. Optical information system is a
breakthrough nose in transmission speed and flexible configuration for advanced
telecommunications services. Routing problems and traffic management is a key
component, is indispensable in network architecture, network design and network
operators. At issue is the route for light as to how to achieve an optimal network.
There are many methods of routing, but routing method using traffic engineering is a
very effective method of data transmission network, it controls how the flow of
traffic traversing the network so that optimal the use of resources and performance of
the network, thereby increasing the efficiency of the network.
In this thesis, I would like to present the topic: “Optical transmission
technology and routing in optical transmission technology” with the following
content:
- Chapter 1: The introduction of optical transmission technology.
- Chapter 2: The optical wavelength-multiplexing (WDM) technology and routing
technology
- Chapter 3: Multi-protocol Label Switching MPLS

- Chapter 4: The MPLS TE traffic engineering technology.
I would like to sincerely thank Mister Nguyen Viet Nguyen – my teacher with
his help and facilitating me in completing this thesis.

Hanoi, October 2011
Student



Nguyen Ngoc Anh

3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN QUANG
1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1.1. Khái quát chung.
Vào những năm 80 của thế kỷ trước, khi mà các hệ thống thông tin cáp sợi
quang chính thức đưa vào khai thác trên viễn thông đã cho chúng ta thấy rằng
phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các
dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại. Sau những năm 90, cùng với sự
phát triển vượt bậc của công cụ thu phát quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin
quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại.
Quá trình phát triển của thông tin quang tương đối lâu dài, và nó có thể được thâu
tóm trong các mốc thời gian như sau:
- Năm 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo
quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp có các đèn báo hiệu
chạy trên đó. Với hệ thống này thì trong vòng 15 phút thông tin đi được 200km.
- Năm 1870 JONH TYNDALL nhà vật lý người anh đã chứng tỏ rằng, ánh sáng
có thể dẫn theo vòi nước uốn cong. Thí dụ của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ
toàn phần, và ngày nay người ta cũng sử dụng nguyên lý này để truyền ánh sáng bên

trong sợi quang.
- Năm 1880 ALEXANDER GRAHAM BELL Người Mỹ giới thiệu hệ thống
photophone qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng.
- Năm 1934 NORMAN R. FRENCH Kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng
chế về hệ thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn chính của ông là các thanh
thủy tinh.
- Năm 1958 đến năm 1960 Laser được nghiên cứu và đưa vào phát triển thành
công.
- Năm 1962 Photodiode được thừa nhận, vấn đề còn lại phải tìm môi trường
truyền dẫn quang phù hợp.
- Năm 1966 CHARLES H. KAO và GEORGE A. HOCKHAM, hai kỹ sư
phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh đề xuất việc dùng thủy tinh
để truyền dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời đó còn hạn
chế nên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000 dB/Km)
- Năm 1970 Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm
- Năm 1972 Sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

4

- Năm 1983 Sợi đơn mode được xuất xưởng tại Mỹ
Công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những bước tiến vượt bậc, các
nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy
hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550nm cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ sợi quang trong những thập niên cuối của thế kỷ trước. Ngày nay giá trị suy hao
đã gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mode là 0,14
dB/km. Song song với nó là sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các nguồn phát
quang.
Các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới thông tin.
Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đường trục trung kế, liên kết tỉnh, thuê bao kéo

dài, truy nhập cao và đáp ứng mọi môi trường lắp đặt trong nhà, trong các cấu hình
xuyên lục địa, vượt đại dương…Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho
truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới bất kỳ dạng ghép kênh nào.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,
chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự (Analog) và số (Digital), chúng cho phép
truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu
của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp
đặt mọi nơi trên thế giới và đang trở thành hệ thống truyền dẫn hiệu quả nhất, với đủ
mọi tốc độ truyền dẫn, với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều
nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ
thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh
hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
1.1.2. Cấu trúc hệ thống thông tin quang.
Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho việc truyền tín hiệu số và hầu hết
quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan
niệm thống nhất đó, thì cấu trúc của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau:
Phần phát quang, Cáp sợi quang và Phần thu quang
Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều
chế. Cáp sợi quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo
vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng
quang và mạch khuyếch đại tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu
trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (Connector), các mối hàn, các
bộ nối quang, chia quang và trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn
chỉnh.

5

Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
1.1.3. Sơ ñồ tổng quát của hệ thống thông tin quang.









Hình 1.2: Tổng quát hệ thống thông tin điện (a) và quang (b)
- Nguồn tín hiệu thông tin là như nhau, đều là các dạng thông tin thông thường
hiện nay như tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản…
Nguồn
tín hiệu

a)
Phần
điện tử
Điều
biến
Kênh truyền
dẫn
Giải điều
chế
Phần
điện tử
Tín hiệu
thu
Nguồn
tín hiệu

b)
Phần
điện tử
Biến đổi
điện quang
E/O
Sợi quang
SQ
Bi
ến đổi
điện quang
O/E
Phần
điện tử

Tín hiệu
thu
Nguån
ph¸t
quang
Mạch
điều
khiển

Tr¹m lÆp
Bé t¸ch hoÆc

ghÐp quang

TÝn hiÖu

®iÖn vµo

Bộ phát quang
Bộ nối
quang
Bộ chia
quang
Sợi
quang

KhuyÕch ®¹i
quang
Bộ thu quang
Khôi
phục
tín hiệu

Tách
sóng
quang
TÝn
hiÖu

®iÖn ra


6

- Phần điện tử: Là phần tử chung của hai hệ thống, để xử lý nguồn tin, tạo ra các
tín hiệu điện đưa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital
(điểm A).
- Bộ biến đổi quang điện (E/O) để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào cường
độ bức xạ quang để cho phát đi. Cũng giống như trong thông tin điện với nhiều
phương thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp
điều biến tín hiệu điện vào bức xạ quang. Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo
nguyên lý điều biến trực tiếp cường độ ánh sáng, còn các hệ thống coherence trong
tương lai thì áp dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần
các tia bức xạ coherence là các bức xạ kết hợp. Tín hiệu ra (điểm c) phải là tín hiệu
quang, khác với tín hiệu ra tại C, các tín hiệu cao tần được điều biến biên độ hoặc
pha hoặc tần số.

- Sợi quang SQ để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến,
vai trò như kênh truyền dẫn.
- Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang
đưa vào biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện như tín hiệu phát đi. Tín hiệu vào của
hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang) nhưng tín hiệu ra của chúng
(điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đưa vào phần điện tử, tách ra tín hiệu thu
giống tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu.
- Tải tin: Trong hệ thống điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ
thống quang thì ánh sáng cũng là sóng điện từ nhưng có tần số rất cao (
14
10
÷
15
10
) do
vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng.
- Vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Tín hiệu truyền đưa trên đường truyền bị tiêu
hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có trạm lặp khuyếch đại hoặc tái sinh
tín hiệu quang, nên tại các trạm khuyếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu
(tín hiệu digital). Hiện nay tại các trạm khuyếch đại trung gian hoặc các trạm lặp
thực hiện ba bước:
+ Chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu dưới dạng điện
+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuyếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu
quang để tiếp tục phát đi.
- Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai
đại lượng:
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được

7

+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài đoạn chuyển tiếp
Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly
trạm lặp rất lớn. Thực tế các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống
truyền dẫn điện ở cả hai yêu cầu trên. Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều
yếu tố liên quan đến nhau như sau:
+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang
+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến của linh kiện phát quang
+ Độ nhạy của máy thu quang
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến.
1.1.4. Ưu ñiểm và nhược ñiểm của hệ thống thông tin quang.
1.1.4.1. Ưu ñiểm:
- Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các kim loại, đường kính mẫu của sợi quang là
0,1mm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm
- Sợi cáp nhỏ hơn rất nhiều sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn ong. Chi phí vật
liệu cáp ít, cáp lại được lắp đặt thuận tiện, ngay cả bằng tay. Cáp quang hiện nay cho
phép tăng được nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đường kính cáp rất ít
- Sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh
hưởng của nước, axít, kiềm… nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ
bên ngoài có bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt.
- Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập mạch
- Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện từ trường ngoài,
nên có thể sử dụng sợi cho các hệ thống thông tin ở những nơi có nhiễu điện từ mạnh
như trong các nhà máy sản xuất, nhà máy điện… mà không cần che chắn ảnh hưởng
của điện từ
- Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hưởng của điện từ nên sợi quang cũng được sử
dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong khu công nghiệp để truyền số liệu
- Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giữa các sợi
quang, đảm bảo không bị nghe trộm
- Vì sợi quang là sợi điện môi nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàn toàn

cách điện và không có mạch vòng chảy qua đất
- Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong dải tần
rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng
chi phí xây dựng mạng. Trong tương lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ dải rộng
cũng rất phù hợp.

8

- Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại
rất nhiều
1.1.4.2. Nhược ñiểm:
- Do lưu lượng thông tin đòi hỏi ngày càng lớn, dung lượng tuyến ngày càng
được nâng cao và đến lúc đạt quá khả năng của thiết bị truyền dẫn nhất là các tuyến
cáp quang, trục cáp quang có dung lượng tuyến tăng rất nhanh. Để nâng cao khả
năng của một tuyến thông tin thì các nhà điều hành mạng phải lựa chọn:
+ Xây dựng thêm tuyến truyền dẫn quang
+ Nâng cấp đường truyền bằng phương pháp ghép kênh theo thời gian, ghép
kênh theo bước sóng
- Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi
và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối, đặc biệt là việc hàn nối sợi quang rất phức tạp.
- Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn được
đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện (ví dụ như cấp nguồn điện cho
trạm lọc ở giữa biển).
1.2. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.2.1. Cáp sợi quang
Cáp sợi quang là thiết bị đấu nối liên kết lý tưởng giữa các trạm đầu cuối, có
nhiệm vụ truyền tải thông tin dưới dạng các xung ánh sáng.
1.2.1.1. Cấu tạo
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
hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường
Lâi
Vá
d
D
Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang

9

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.
1.2.1.2. Phân loại sợi quang:
- Phân loại theo vật liệu điện môi:
+ Sợi quang thạch anh
+ Sợi quang thuỷ tinh hỗn hợp
+ 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 GI (Gradex index)

- Phân loại theo mode truyền dẫn:
+ Sợi quang đơn mode
+ Sợi quang đa mode
- Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ:
+ Sợi quang chiết xuất phân bậc
+ Sợi quang chiết xuất biến đổi đều
1.2.1.3. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
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.
Hình 1.4: Truyền ánh sáng trong sợi quang

n
0
n
2
n
1
α
th
α
t
β


10

Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
+ n
1

> n
2
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n
1
> n
2
. Vậy chỉ còn điều
kiện là góc tới α
t
phải lớn hơn góc tới hạn α
th
(α
t
>α
th
). Nên người ta đưa ra khái
niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức
xạ quang vào sợi.
Ta có: n
0
Sinα
th
= n
1
.Sinβ (n
0
=1: chiết suất của không khí)
⇒ 1.Sinα
th

= n
1
.Sinβ = n
1
Cosα
t
.
(Do Sinβ=Sin(90
0
-α
t
)=Cosα
t
)
∆=−=α=⇒
−=−=α⇒
−=α−=α
2.nnnSinNA
nn
n
n
1.nSin
n
n
1Sin1Cos
1
2
1
2
2th

2
1
2
2
2
1
2
2
1th
2
1
2
2
t
2
t

Với
2
1
2
2
2
1
n.2
nn −
=∆
gọi là độ lệch chiết xuất tương đối
Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa
nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở

∆=α 2.narcsin
1th

1.2.1.4. Các ñặc tính của sợi quang
1.2.1.4.1. Suy hao của sợi quang
a. ðịnh nghĩa
Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo cự ly
với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao. Biểu thức tổng quát của hàm số
truyền công suất có dạng:
P(L)=P(0).10
-
α
.1/10

Trong đó: P(L) là công suất ở cự ly L tính từ đầu sợi
P(0) là công suất ở đầu sợi (L)
α: Hệ số suy hao


11



Hình 1.5: Công suất truyền trên sợi quang
Độ suy hao của sợi quang tính bởi:

1
2
log.10)(
P

P
dBA =

Trong đó:
1
P
= P(0)

2
P
= P(1)
Hệ số suy hao trung bình:

L
A
P
P
L
KmdB =−=
1
2
log.10.
1
)/(
λ

b. Suy hao do hấp thụ
Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh
sáng. Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các
bước sóng ánh áng truyền qua nó

Sự hấp thụ của các ion OH, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm,
1240nm và 1400nm
Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và hồng
ngoại. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các
bước sóng dài trong thông tin quang
c. Suy hao do tán xạ
Suy hao do tán xạ hay còn gọi là tiêu hao tán xạ Reyleigh, là hiện tượng ánh
sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi gặp phải các vật nhỏ hoặc những chỗ
không đồng nhất có kích thước không quá lớn so với bước sóng ánh sáng. Những
chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn
nối sợi quang không chuẩn.


P
1
=P(1)

P
1
=P(1)

L

L


12

Độ lớn của tán xạ Reyleigh tỷ lệ nghịch với mũ 4 bước sóng ánh sáng:
4

0
0
))(()(
λ
λ
λαλα
txtx
=

Hình 1.6: Suy hao do tán xạ Reyleigh
Có thể nói bước sóng ánh sáng càng dài thì suy hao do tán xạ Reyleigh càng ít.
d. Suy hao do sợi bị uốn cong
Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng
tăng lên.Tại những chỗ bị uốn cong thì điều kiện phản xạ toàn phần không thực hiện
được, sự phân bố trường sẽ bị sáo trộn và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi.
d. Suy hao do kết nối
Suy hao do kết nối bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đầu nối dùng
conector.
Sử sụng các Conector sẽ tạo điều kiện thuận tiện cho việc kiểm tra và bảo
dưỡng, vì vậy các Conector thường được dùng để ghép nối sợi quang với thiết bị đầu
cuối đường truyền hoặc các trạm lặp. Chúng gây suy hao α
connector
≈ 0,4 dB/1
Connector
Nếu cự ly thông tin lớn hơn độ dài cuộn cáp thì phải hàn nối. Mỗi mối hàn gây
tổn hao cỡ 0,1 dB/1 mối hàn.
1.2.1.4.2. ðặc tuyến suy hao
Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước
sóng, người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tuyến suy hao riêng
α

(dB/Km)
600 1200
1400
1600 800
1000
1
0
4
3
2
λ
(nm)
)


13


Hình 1.7: Đặc tuyến suy hao (phổ suy hao) của sợi quang
Theo phổ tổn hao này có 3 vùng cửa sổ bước sóng mà tại đó suy hao của sợi
quang là cực tiểu.
- Vùng cửa sổ 0,8µm: Suy hao trung bình ở mức từ 2÷3 dB/Km, Tổn hao như
vậy vẫn còn là lớn nên hiện nay không còn được sử dụng.
- Vùng cửa sổ 1,3µm: Tại vùng này có tổn hao thấp (α
min
≈ 0,35 dB/Km). Với
sợi quang đơn mode gần như không có tán xạ nên được dùng để truyền thông tin
dung lượng cực lớn đi xa hàng chục Km mà không cần bộ lặp.
- Vùng cửa sổ 1,55µm: Tại vùng này có tổn hao cực thấp (α
min

≈ 0,16 dB/Km)
nên có thể truyền tín hiệu đi rất xa.
1.2.1.4.3. Tán sắc
Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu
thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau. Khi đó không
phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu ở đầu thu. Hiện tượng
giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc. Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của
tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và tín hiệu bị dịch pha.
a. Nguyên nhân gây ra tán sắc
* Tán sắc mode
Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode. Trong sợi quang đa mode tốc độ lan
truyền của các mode là khác nhau, dẫn đến làm giãn xung ánh sáng và co hẹp khoảng
trống thời gian giữa các xung cạnh nhau. Đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra giãn
xung ánh sáng trong sợi đa mode

0,8
1
1,2
1,4
1,6
1
2
3
4
5
λ
(
µ
m
)

)

α[dB/Km]

14

* Tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng
Trên thực tế chiết suất của vật liệu làm sợi phụ thuộc vào bước sóng. Nếu
nguồn phát phát ra ánh sáng hoàn toàn đơn sắc thì không có tán sắc này, nhưng thực
tế không thể đạt được như vậy do bản chất của quá trình phát bức xạ của nguyên tử.
Ngay cả các tia laser cũng có một giải phổ với độ rộng ∆λ ≠ 0, mặc dù là rất nhỏ. Do
vậy vẫn gây ra hiện tượng giãn xung ánh sáng.
Giả sử xung ánh sáng có độ rộng phổ ∆λ, được truyền qua khoảng cách L thì độ
lệch thời gian ∆τ được xác định theo công thức:
∆τ = D(λ). ∆λ.L
D(λ) là hệ số tán sắc và có thể biểu diễn dưới dạng:
D = M(λ) – W(λ)
Hệ số M(λ) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi và bước sóng ánh sáng được gọi
là hệ số tán sắc vật liệu:
M(λ) =
′
2
1
2
.
)(
.
λ
λ
λο

d
nd
c
→ τ
max
= M(λ).L. ∆λ
W(λ) gọi là tán xạ dẫn sóng (là hiện tượng chung trong truyền sóng ống dẫn
sóng điện môi mà sợi quang chỉ là trường hợp đặc biệt). Tán xạ dẫn sóng được xác
định:
W(λ) =
V
c
nnn
g
.
.
984,1) (
212
λο
−
→ τ
wg
= W(λ).L. ∆λ
Bằng đồ thị tán sắc người ta nhận thấy tại bước sóng λ = 1,3µm thì tán sắc vật
liệu và tán sắc sóng bù trừ nhau. Tại bước sóng này trong sợi quang đơn mode gần
như không có tán sắc và băng tần truyền dẫn của sợi quang đơn mode là cực lớn. Do
đó người ta hay sử dụng bước sóng 1,3µm để thực hiện tuyến thông tin quang.
T¸n s¾c dÉn sãng
T¸n s¾c tæng
0

T¸n s¾c vËt liÖu
1,3 µs
D
Hình 1.8: Đồ thị tán sắc
λ

15

b. ðộ tán sắc của một vài loại sợi ñặc biệt
- Sợi dịch tán: Vì độ suy hao ở bước sóng 1550nm chỉ bằng một nửa so với suy
hao ở bước sóng 1300nm nên ở tuyến cáp quang đường dài hay sử dụng bước sóng
này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lại lớn. Để khắc phục nhược điểm này,
người ta làm theo hai cách:
+ Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc vật liệu
+ Dịch điểm có tán sắc bằng không đến bước sóng 1550nm
Để có sợi dịch tán sắc thì tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng triệt tiêu nhau
ở bước sóng 1550nm.
Hình 1.9: Tán sắc thể của các loại sợi
(1): Sợi bình thường
(2): Sợi dịch tán
(3): Sợi san bằng tán sắc
- Sợi san bằng tán sắc: Dung lượng của sợi quang có thể được nới rộng bằng
cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (WDM). Cần một sợi
quang có độ tán sắc nhỏ trong khoảng một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san
bằng tán sắc và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như Hình 1.9.
1.2.1.4.4. Quan hệ giữa tán xạ và ñộ rộng băng truyền
Giả sử xung điện kích thích là một xung Dirac, xung đáp ứng có dạng phân bố
Gauss:
πτ
2

1
. exp(
2
2
2
τ
t−
)
-
12

4

8

12

-
4

-
8

1200

1600

1500

1400

1300

D

(1)

(3)

(2)

λ
(nm)

16

Với độ rộng xung là τ
s
. Tại đầu thu xung nhận được có độ rộng τ
R
> τ
S

Độ giãn xung giữa xung phát và xung thu do tán sắc có thể được xác định theo
công thức:
22
SR
τττ
−=

Nếu xung phát ra rất hẹp (τ
S <<
τ
R
) thì có thể coi gần đúng τ ≈ τ
R

Nếu điều chế với tín hiệu hình sin với tần số ω thì sợi quang được coi gần đúng
như một bộ lọc thông thấp với hàm truyền đạt biên độ Gauss:
|H(f)| = exp{
2
.
22
τω
−
}
Độ rộng băng tần truyền dẫn chỉ tần số điều chế tín hiệu quang cao nhất có thể
đạt được. Nó được định nghĩa là tần số tín hiệu điện
elect
ω
mà tại đó công suất quang
xoay chiều giảm 3dB (Biên độ giảm dần) so với công suất quang một chiều, khi đó
tần số tín hiệu điện được tính như sau:
σ
ω
83,0
=
elect

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa tần số tín hiệu với hàm truyền đạt
Độ rộng băng truyền trên một Km sợi:
B = f
elect
=
π
ω
2
elect
=
πτ
2
83,0
=
τ
132,0
(Hz.Km)
Với τ là tán xạ tổng cộng trên 1 Km sợi quang, được xác định theo công thức:
2
Wgmax
2
mod
)(
ττττ
++=
e

H(f)
ω
elect
1
/
2


17

1.2.1.5. Giới thiệu một số loại sợi quang ñang sử dụng phổ biến
Các tuyến thông tin trên thế giới hiện nay phổ biến dùng loại cáp quang đơn
mode theo khuyến nghị G.652 của ITU-T. Sau đây là các thông số về suy hao và tán
sắc của loại sợi này:
Bước sóng
(nm)
Hệ số suy hao
(dB/Km)
Hệ số tán sắc
(ps/nm.Km)
1310 1 3,5
1550 0,5 20
Bảng 1.1: Thông số về suy hao và tán sắc của sợi quang đơn mode theo khuyến
nghị G.652 của ITU-T
Loại sợi quang này được khuyến nghị dùng tại bước sóng ở vùng cửa sổ thứ
nhất của loại sợi quang (1310nm), và thực tế là hầu hết các hệ thống đơn bước sóng
hoạt động tại bước sóng 1310nm đang sử dụng loại sợi này, lý do là chúng có hệ số
tán sắc và hệ số suy hao chấp nhận được.
Tuy nhiên khi áp dụng trong hệ thống WDM có một số nhược điểm sau:
+ Cửa sổ vùng 1310nm bé, không ghép được nhiều bước sóng

+ Suy hao còn lớn
+ Các bộ khuyếch đại quang trong hệ thống WDM thường hoạt động tại cửa sổ
1550nm, do vậy không phù hợp với sợi G.652
Hiện nay đã sản xuất được loại sợi hoạt động tối ưu tại cửa sổ 1550nm, đây là
sợi quang đơn mode có tán sắc dịch chuyển và tuân theo khuyến nghị G.653 của
ITU-T. Loại sợi này tận dụng được hệ số suy hao của bước sóng 1550nm và hệ số
tán sắc của bước sóng 1310nm. Đây là loại sợi được khuyến nghị dùng cho các hệ
thống WDM.
5
4
3
2
1
6
ps/nm.Km
1600
15801560154015201500

Hình 1.11: Hệ số tán sắc của cáp quang G.653

Bước sóng (nm)

18

1.2.2. Phần phát quang
Trong thông tin quang, một bộ phát bao gồm nguồn quang và mạch điều chế.
Nguồn quang tạo ra sóng mang quang và mạch điều chế có nhiệm vụ điều chế sóng
mang đó theo tín hiệu cần truyền.
Nguồn quang dùng trong thông tin quang thường là các Diode bức xạ ánh sáng
LED và Diode laser LD, yêu cầu có độ rộng phổ hẹp (Càng hẹp càng tốt) để tránh

xuyên âm, có thể điều chỉnh được bước sóng quang phát ra.
Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và Diode
laser dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống xảy ra
trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn được đặt dưới điện áp thuận. Vùng tiếp
giáp P-N này được gọi là vùng hoạt tính của LED và LD.
1.2.2.1. Yêu cầu ñối với một nguồn quang trong hệ thống thông tin quang
- Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong
sợi quang. Ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính định hướng cao. Thu
nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín
hiệu
- Nguồn phát quang phải phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước
sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc, đồng thời linh kiện thu quang hoạt
động hiệu quả tại các bước sóng này.
- Có khả năng điều chế tín hiệu một cách đơn giản trên dải tần rộng trải dài từ
tần số âm thanh tới dải tần Gigahezt.
- Hiệu suất ghép quang tốt để giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi
quang.
- Độ rộng phổ tần hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.
- Duy trì mức công suất ngõ ra ổn định và không bị ảnh hưởng của các yếu tố
bên ngoài.
- Giá thành thấp và có độ tin cậy cao, để cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn
khác.
1.2.2.2. Diode phát quang LED
Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin
cáp sợi quang là SLED phát xạ mặt (Surface Light Emitting Diode) và ELED phát xạ
cạnh (Edge Light Emitting Diode). Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để
giam hạt đa số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính.

19

Loại LED
Tần số điều chế lớn nhất
(MHZ)
Công suất ra
(mW)
Công suất phối ghép
với sợi quang (mW)
Phát xạ mặt 60 <4 <0.2
Phát xạ cạnh 200 <7 <1.0
Bảng 1.2: So sánh ELED và SLED
Từ bảng trên ta thấy ELED ưu việt hơn loại phát xạ mặt về hiệu suất phối ghép
và tần số điều chế. Vì vậy, LED phát xạ mặt chỉ được sử dụng trong tuyến thông tin
có cự li ngắn và có tốc độ thấp. Ngược lại ELED thường được sử dụng ở cự li trung
bình. Ánh sáng bức xạ của LED trải ra trong một vùng phổ rộng hơn rất nhiều so với
laser, do vậy chúng chỉ có thể phối ghép ánh sáng có hiệu quả và sợi đa mode có
khẩu điều chế số lớn.
1.2.2.3. Diode laser
- Diode laser được sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc độ cao (các tuyến này
dùng sợi quang đơn mode). Yêu cầu đặt ra đối với diode laser trong thông tin quang
là giảm thiểu độ rộng vạch phổ và hoạt động chế độ đơn mode và yêu cầu quan trọng
là tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng điện ngưỡng.
- Ánh sáng laser được tạo ra bằng bức xạ kích thích. Bức xạ kích thích xảy ra
khi một photon sơ cấp (hv)
1
va đập vào một nguyên tử đã được kích thích và thay vì
hấp thu photon này lại kích thích cho một điện tử dịch chuyển xuống qua dải cấm và
sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)
2
. Photon mới được tạo ra giống
hệt photon ban đầu. Các photon này tiếp tục va chạm với các nguyên tử ở trạng thái

kích thích khác trong mạng tinh thể và lại sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va
chạm. Như vậy, mạng tinh thể bán dẫn đã khuếch đại những photon ban đầu tức
những photon sơ cấp.


Hình 1.12
Bức xạ tự phát Bức xạ kích thích
•
•
C
V
B
V
C
V
B
V
(
)
1
hv
(
)
1
hv
(
)
2
hv
O

O
(
)
a
(
)
b
photon

20

Để bức xạ kích thích có thể xảy ra, trong dải dẫn phải có một số lượng lớn các
điện tử và trong dải hoá trị cũng phải có một lượng lỗ trống như vậy. Trạng thái gần
ổn định này được gọi là trạng thái đảo đồng bộ. Trong diode laser nó là kết quả của
sự phun một lượng lớn hạt đa số vào vùng hoạt tính có nồng độ pha tạp lớn. Nếu
trạng thái đảo nồng độ xuất hiện với tác dụng giam ánh sáng của 2 lớp dị thể sẽ sinh
ra một bức xạ kích thích. Tuy nhiên, để đảm bảo độ khuếch đại và điều kiện tự kích
cho máy phát laser cần đặt môi trường bán dẫn vào trong buồng cộng hưởng quang
học (là một hệ gồm 2 mặt phản xạ đối diện nhau, giữa 2 mặt này là hoạt chất).
1.2.3. Khuếch ñại quang
1.2.3.1. Giới thiệu khuếch ñại quang
Trên đường truyền tín hiệu quang có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự suy hao
về công suất, nguyên nhân gây tổn hao từ các bộ ghép nguồn vào sợi quang, tại các
mối hàn sợi quang và từ cáp quang vào bộ thu, đặc biệt là suy hao quang do vật liệu
chế tạo sợi quang. Vì các lý do đó mà ở các tuyến truyền dẫn có khoảng cách lớn,
người ta mắc thêm vào hệ thống các trạm lặp, thường là các trạm lặp quang điện
(Optoelectronic repeater). Tại các trạm lặp quang điện, tín hiệu quang sẽ được biến
đổi thành dòng điện bởi các thiết bị thu quang (Optical receiver). Dòng quang điện
được tái tạo lại dạng xung, đồng thời được khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu
và các mạch khuếch đại. Sau đó tín hiệu điện lại được tái tạo và biến đổi thành tín

hiệu quang thông qua các nguồn quang điện trong thiết bị phát quang (Optical
Transmistter) và được truyền đi trong sợi quang. Như vậy quá trình khuếch đại được
thực hiện trên miền điện.
O-E
K§
E-O
Sîi quang Sîi quang
Bé ph¸t quang
Bé khuÕch ®¹i
Bé thu quang
Pout
Pin
OutputInput
MiÒn quang MiÒn ®iÖn MiÒn quang

Hình 1.13: Cấu trúc của một trạm lặp quang điện

21

Các trạm lặp quang điện đã được phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang
một bước sóng như trong hệ thống SDH. Tuy nhiên, khi khi sử dụng cho các hệ
thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang
điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác
nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như giá thành của hệ thống truyền dẫn
quang WDM.
Để khắc phục nhược điểm trên của các trạm lặp quang điện, đó là sử dụng các
bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Trong các bộ khuếch đại quang này ánh
sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi
sang miền điện. So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có ưu điểm sau:
+ Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay

mạch phục hồi (bộ biến đổi O-E hoặc E-O). Do vậy khuếch đại quang sẽ trở nên linh
hoạt hơn.
+ Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương thức điều chế tín hiệu nên việc
nâng cấp hệ thống sẽ đơn giản hơn.
+ Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi
quang.
1.2.3.2. Nguyên lý khuếch ñại quang
Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa
trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình
khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích (simulated emission) là một trong ba hiện tượng
biến đổi quang được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh
họa trên hình 1.14.

(a) Hấp thụ
(Absorption)
(b) Phát xạ tự phát
(Spontanceuos emisson)
(c) Phát xạ kích thích
(Stimulated emission)
Hình 1.14: Các hiện tượng biến đổi quang điện
E
2
E
1
E
2
E
1
E

2
E
1
hf
12
hf
12
hf
12
hf
12
(
cùng pha)


22

Hiện tượng phát xạ do kích thích, hình 1.14c, xảy ra khi một điện tử đang ở
trạng thái năng lượng cao E
2
bị kích thích bởi một photon khác có năng lượng hf
12

bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa 2 điện tử (E
g
= E
2
– E
1
). Khi đó, điện tử sẽ

chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra
một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon ban đầu. Như vậy từ một
photon ban đầu, sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon
(photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực,
cùng pha và cùng tần số. Hay nói cách khác quá trình khuếch đại ánh sáng được thực
hiện.
Hiện tượng phát xạ do kích thích được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang
bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA). Nó cũng được ứng dụng trong việc
chế tạo laser. Tuy nhiên điểm khác biệt chính giữa laser với các bộ khuếch đại quang
là trong bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng, vì nếu
xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo
ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào.
Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong các bộ khuếch đại quang. Do
vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa ở ngõ
vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra.
Hiện tượng hấp thụ, hình 1.14a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf
12
bị
hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi
năng lượng hf
12
bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao
và trạng thái năng lượng thấp của điện tử. Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ
nhận được năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói
cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi
qua bộ khuếch đại quang.
Hiện tượng phát xạ tự phát, hình 1.14b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái
năng lượng từ mức năng lượng cao E
2
xuống mức năng lượng thấp E

1
và phát ra một
năng lượng E
g
= E
2
– E
1
dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một
cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E
2
không phải là trạng thái năng lượng
bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time)
của điện tử ở mức năng lượng cao, điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng
lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững). Tùy theo loại vật liệu khác nhau
mà thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau.

23

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch
đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do hiện
tượng này xảy ra một cách tự phát, không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào
bộ khuếch đại. Nếu không có tín hiệu ánh sáng đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng
được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra
không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích. Do vậy, phát xạ tự phát
được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại
nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát.
1.2.3.3. Các thông số kỹ thuật trong khuếch ñại quang
1.2.3.3.1. ðộ lợi (Gain)
Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra trên

công suất quang ở ngõ vào.
G =
in
out
P
P

G(dB) = 10.log[
in
out
P
P
]
Trong đó:
G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang
P
in
, P
out
: Công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ
khuếch đại quang (mW)
Độ lợi đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch
đại. Tuy vậy độ lợi của bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi. Điều
này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại.
1.2.3.3.2. Băng thông ñộ lợi (Gain Bandwidth)
Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín
hiệu quang vào. Nếu đo độ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác nhau,
một đáp ứng tần số quang của một bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được. Đây chính là phổ
độ lợi của bộ khuếch đại quang.
Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang B

0
được xác định bởi điểm -3dB
so với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại. Giá trị B
0
xác định băng thông của các tín hiệu
có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang. Do đó ảnh hưởng đến hoạt động
của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ tiền
khuếch đại.


24

1.2.3.3.3. Công suất ngõ ra bão hòa (Saturation Output Power)
Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến
tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số độ lợi G: P
out
= G.P
in
. Tuy nhiên công
suất ngõ ra không thể tăng mãi được. Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất
cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào P
in
tăng đến một mức nào đó thì
độ lợi G bắt đầu giảm. Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với
tín hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bão hòa. Sự thay đổi tín hiệu quang ngõ ra so
với công suất quang ở ngõ vào được minh họa như hình sau:
§é lîi tÝn hiÖu
Pout,sat
G
Pout

3dB
Pin,sat
Pout,sat
Pin
Pout

a) b)
``
Hình 1.15: a) Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào. b) Độ lợi khuếch đại
theo công suất quang ngõ ra.
Công suất ra bão hòa P
out,sat
của bộ khuếch đại quang cho biết công suất ngõ ra
lớn nhất mà bộ khuếch đại quang có thể hoạt động được. Thông thường, một bộ
khuếch đại quang có độ lợi cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo
nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng.
1.2.3.3.4. Hệ số nhiễu (Noise Figure)
Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu.
Nguồn nhiễu chính do các bộ khuếch đại quang tạo ra là do phát xạ tự phát, vì sự
phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ cũng ngẫu
nhiên. Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín
hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên
độ. Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại về
phía ngõ ra. Do đó tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được P
out
bao
gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất phát nhiễu tự phát được
khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
P
out

= G.P
in
+ P
ASE

25

Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch đại quang được biểu diễn bởi hệ số
nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to
Noise Ration) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào. Hệ số NF được tính bởi công
thức:
NF =
out
in
SNR
SNR

Trong đó: SNR
in
, SNR
out
là tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở ngõ vào và ra của bộ
khuếch đại.
Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Giá trị nhỏ nhất của
NF có thể đạt được là 3dB. Những bộ khuếch đại hoạt động thỏa mãn hệ số tối thiểu
này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử.
Ngoài bốn thông số kỹ thuật trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh giá
dựa trên các thông số sau:
+ Độ nhạy phân cực (Polarization sensitiviti) là sự phụ thuộc của độ lợi vào
phân cực của tín hiệu.

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi.
+ Xuyên nhiễu (Crosstalk).
1.2.3.4. Bộ khuếch ñại EDFA
Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium).










Hình 1.16: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA
Bộ EDFA thực chất là sợi quang có pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-
Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại tín hiệu ánh sáng (vùng tích cực)

Coupler

LASER
bơm
Isola
t
or

Isola
t
or

Er
3+
Doped
Fib
er