hệ thống thông tin sợi quang

ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
***
***
ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
SVTH : Lê Thành Hiếu 08902211
Lê Duy Đạo 08902191
Lớp: DHDT4TN
Khoá: 2008 – 2012
Ngành học: Điện Tử - Viễn Thông
Tên đề tài:
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Ngày giao đồ án:……/ /2012
Ngày nộp đồ án: 2/7/2012
Ngày 2 tháng 7 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
LÊ VĂN HÙNG

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Điểm: (bằng chữ ……………… )
Ngày 2 tháng 7 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
Giảng Viên: LÊ VĂN HÙNG
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Điểm: (bằng chữ ……………… )
Ngày 2 tháng 7 năm 2012
Giáo viên phản biện
Hệ Thống Thông Tin Quang
LỜI NÓI ĐẦU
Gắn liền với sự phát triển của nhân loại thông tin liên lạc đã trở nên hết sức quan
trọng, nó không thể thiếu được trong đời sống của con người và phát triển của xã hội. Để
đáp ứng được nhu cầu của con người ngày càng cao. Thông tin quang ra đời và phát triển
với nhịp độ rất nhanh trở thành hệ thống có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn
những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó. Sự ra đời của thông tin quang cũng góp
phần rất lớn vào sự hoàn thiện mạng lưới viễn thông. Với khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ
cao hàng chục (Gb/s), cự ly dài, suy hao nhỏ, không bị ảnh hưởng của sóng điện từ xuyên
âm… thông tin quang đã giải thoát được những bế tắc trong quá trình nghiên cứu để tìm
ra những giải pháp tối ưu cho mạng lưới viễn thông toàn cầu.Chính vì thế,em đã chọn đề
tài “ Hệ thống thông tin sợi quang “ làm đề tài cho đồ án chuyên nghành . Đồ án gồm có
5 chương :
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHÁT VÀ THU QUANG
CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN
CHƯƠNG 5:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ
CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn có nhiều thiếu sót cần bổ sung và
phát triển mong quý thầy cô chỉ bảo.
Em Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử, bộ môn điện tử viễn
thông, cùng Thầy giáo Lê Văn Hùng đã hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này.

Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
5
Hệ Thống Thông Tin Quang
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1 Khái niệm thông tin quang
Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có
nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền qua sợi
quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu.
1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động
hình dáng màu săc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế thông tin
đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đền hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra
đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường
truyền đẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết, để giải quyết vấn đề này
người ta chế tạo ra máy điện báo vô tuyến để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau.
Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã
chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp (1000dB/km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra
cáp sợi quang trong suốt có đọ suy hao truyền dẫn khooangr20dB/km. Từ 3 thành công
rực rỡ này nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển
và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze
bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn thất xuống
còn 0,18dB/kmcòn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai
thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm.
Cụ thể lịch sử phát triển của thông tin quang như sau:
• 1790 : claude chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo
quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn
báo hiệu di động trên đó. Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượt
chặng đường 200 km trong vòng 15 phút.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT

6
Hệ Thống Thông Tin Quang
• 1870 : John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng có thể
dẫn được theo vòi nước uốn cong, thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý
phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay.
• 1880 : Alexander Graham Bell, người Mỹ, giới thiệu hệ thống photophone, qua
đó tiếng nói có thể truyền được qua môi trường không khí mà không cần dây,
tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì còn quá nhiều nguồn
nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền.
• 1934 : Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ
thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thủy tinh.
• 1958 : Arthur Schawlow và Charles H.Townes, xây dựng và phát triển laser.
• 1960 : Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công.
• 1962 : Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận, vấn đề còn lại là
phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
• 1966 : Charles H.Kao và Gooeorge A.Hockham, hai kỹ sư phòng thí nghiệm
Standard telecommunications của Anh, đề xuất việc dung thủy tinh để truyền
dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ấy còn hạn chế
nên suy hao của sợi quá lớn (suy hao xấp xỉ 1000 dB/km).
• 1970 : Hãng Corning Glass works chế tạo thành công sợi quang loại si có suy
hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm.
• 1972 : Loại sợi Gi được chế tạo với độ suy hao 4dB/km.
• 1983 : Sợi đơn mode (sm) được xuất xưởng ở Mỹ.
• Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ
còn khoảng 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm
Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối
lượng lớn tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa nhau hàng trăm km bằng một
sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi là
photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng phát hiện

và xử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng. Photon học có
khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ
21.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
7
Hệ Thống Thông Tin Quang
1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Dưới đây là cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang:
Bộ biến đổi tín hiệu quang
Điện quang lặp đường dây
cáp quang cáp quang
bộ biến đổi
tín hiệu điện quang điện
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Bộ biến đổi điện – quang (E/O) biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để
truyền trong môi trường cáp quang (biến đổi xung điện thành xung quang).
Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo quy luật của
tín hiệu điện).
Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo
bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thủy tinh,
sợi nhựa.
Yêu cầu: tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của
nguồn sáng lạ (không bị nhiễu).
Bộ biến đổi quang – điện (O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng
trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu
điện và trở thành nguồn tin ban đầu.
Yêu cầu: Độ nhạy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ, tiêu thụ năng
lượng điện ít.
Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi tín
hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuếch đại. Tón hiệu đã được khuếch đại

được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên cáp sợi quang.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
Nguồn
thu tín
hiệu
Nguồn
phát tín
hiệu
O/E
O/EE/OO/E
8
Hệ Thống Thông Tin Quang
1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang
Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và
nhược điểm riêng. Đặc biệt hiện nay sợi quang đã trở thành một phương tiện thông dụng
cho nhiều yêu cầu truyền thông. Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương
pháp truyền dẫn điện thông thường. Bên cạnh đó thì vẫn có một số nhược điểm. Cụ thể
như sau:
1.4.1 Ưu điểm
• Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông
tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời
khoảng 600 cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang có thể chứa được khoảng 200
sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6000.000 cuộc đàm
thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp gầm
nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại, Một cáp đồng trục có
khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba có thể mang được 200
cuộc gọi đồng thời.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với cáp đồng có cùng dung lượng, cáp
sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều.
• Không bị nhiễm điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi

nhiễu điện từ hay nhiễu tàn số vô tuyến và nó không tạo ra bất ký sựu nhiễu
nội tại nào. Các công ty điện lực sử dụng cáp qaung dọc theo các đường dây
điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp
sợi quang cũng không bị xuyên âm. Thậm chí ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi
quang thì nó không thể xâm nhập vào sợi quang khác được.
• Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Cáp sợi quang làm bằng chất
điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và cho phép cách điện hoàn toàn
cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy
vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sựu phóng điện trên
các đường dây thông tin như sét đánh hay những trục trặc về điện. Đây thực sự
là một phương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
9
Hệ Thống Thông Tin Quang
• Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang
không thể bị trích lấy trộm thông tin bằng các phươn tiện điện thông thường
như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông
tin dưới dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền ở tâm sợi quang và rất ít hoặc
không có tia nào thoát khỏi sợi quang. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang
được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại
đầu cuối. Trong khi các tín hiệu vệ tinh hay viba có thể dễ dàng thu và giải mã
được.
• Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn
đồng nhất và không gây ra hiện tượng phading. Những tuyến cáp quang được
thiết kế thích hợp để có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ
ẩm khắc nghiệt và có thể hoạt động được ở dưới nước. Sợi quang có thời gian
hoạt động lâu, ước tính trên 30 năm với một số cáp. Yêu cầu về bảo dưỡng đối
với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông
thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong tuyến thông tin; trong cáp không có dây
đồng(yếu tố có thể bị mòn dần và gây ra hện tượng lúc có lúc mất tín hiệu);

cáp quang cũng không bị ảnh hưởng bởi sựu ngắn mạch, sựu tăng vọt về điện
áp nguồn hay tĩnh điện.
• Tính linh hoạt các hệ thống thông tin quang đề khả dụng cho hầu hết các dạng
thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với
các chuẩn RS.232, RS422, V35, Ethernet, ARCnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet,
thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa.
• Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát qaung còn hệ thống
cáp sợi quang vẫn có thể giữ nguyên.
• Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường
truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu,
khoảng cách này còn có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại
laze. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách dài hơn nữa. chi
phí tiết kiệm được sử dụng ít các bộ lọc trung gian và việc bảo dưỡng có thể là
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
10
Hệ Thống Thông Tin Quang
khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã
cần một bộ lặp.
1.4.2 Nhược điểm
• Hàn nối khó khăn hơn cáp kim loại, muốn hàn cáp quang phải sử dụng máy
hàn chuyên dụng. Do cáp quang thẳng và láng bóng nên yêu cầu chất lượng
mối hàn rất cao.
• Giòn, dễ gẫy: sợi quang sử dụng trong viễn thông được chết tạo từ thủy tinh
nên giòn và dễ gẫy.
• Nếu hệ thống thông tin quang bị hỏng thì viêc sửa chữa đòi hỏi phải có một
nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.
• Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng bên trong sợi
quang.
• Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì sẽ nhanh chóng bị hỏng và các mối hàn
mau lão hóa làm tăng tổn hao.

• Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
• Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog.
• Khi truyền tín hiệu trên hệ thống thông tin quang hay bị lỗi tín hiệu khi chuyển
đổi quang – điện và điện – quang.
• Thiết bị thu phát quang đắt đỏ.
• Vấn đề an toàn lao động khi hàn nối cáp quang cũng cần hết sức chú ý. Vì khi
hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì
không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể. Ngoài
ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở phòng
ngừa có ánh sáng truyền trong sợi quang chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử
dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không
cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này và sẽ gây
nguy hại cho mắt.
1.4.3 Ứng dụng
Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện
thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
11
Hệ Thống Thông Tin Quang
dụng trong ISDN (là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển
mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quân sự và cũng như trong các thiết bị đo.
Hiện nay thông tin quang được ứng dụng rộng rãi:
• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn quốc tế, kết nối Việt Nam với các nước
trên thế giới. cụ thể có các tuyến chính như: TVH (kết nối Thái Lan, Việt Nam
và Hồng Kong); SEA-ME-WE 3(nối các nước Đông Nam Á, Trung Đông và
Tây Âu); tuyến cáp quang liên Á…Dự án cáp quang biển AAG, có chiều dài
gần 20.000 km, bắt đầu từ Malaysia (TM) và kết cuối tại Mỹ (AT&T). AAG có
các điểm cập bờ tại Mersing (Malaysia), Changi (Singapore), Sri Racha (Thái
Lan), Tungku (Brunei), Vũng Tàu (Việt Nam), Currimao (Philippines), South
Lantau (Hong Kong), Guam (Mỹ), Hawaii (Mỹ) có tác dụng kết nối internet

quốc tế. Nhánh cáp rẽ vào Việt Nam có chiều dài 314 km, cập bờ tại Vũng Tàu.
Hiện Việt Nam có 4 thành viên tham gia AAG gồm: FPT Telecom, VNPT,
Viettel và SPT.
• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn liên tỉnh và nội tỉnh để kết nối thông tin
giữa các tổng đâì với nhau. Cụ thể như các tuyến quốc lộ 1A, tuyến cáp quang
trên đường 500KV(điện lực), tuyến cáp quang đường Hồ Chí Minh, đường 5…
• Sử dụng mạng truy nhập để cung cấp đường truyền tốc độ cao tới các cơ quan,
doanh nghiệp cá nhân có nhu cầu. Ví dụ, cung cấp dường truyền tốc độ cao
hoặc kết hợp với cáp đồng trong các mạng truyền hình cáp.
• Mạng đường trục xuyên quốc gia. Mạng đường trục quốc gia của VNPT bao
gồm mạng cáp quang Bắc - Nam dung lượng 360 Gbps, cáp quang dọc theo
tuyến 500 KV, cáp quang ven biển. Mạng được kết nối vòng Ring đảm bảo
thông tin liên lạc thông suốt trong mọi tình huống. Và Viettel cũng đã và đang
xây dựng mạng truyền dẫn đường trục Backbone với dung lượng 2,5Gb/s được
nâng cấp lên 10Gb/s, sử dụng công nghệ ghép bước sóng WDM và phân cấp số
đồng bộ SDH. Với việc sử dụng cáp quang trên đường dây 500 KV và phối
hợp với Tổng Công ty đường sắt Việt nam xây dựng mới đường trục cáp quang
dọc tuyến đường sắt Bắc Nam, mạng đường trục Bắc Nam của Viettel phát
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
12
Hệ Thống Thông Tin Quang
triển theo cấu hình bao gồm các mạng vòng vu hồi WDM SDH với độ tin cậy
và khả năng dự phòng cao.
• Mạng truyền số liệu, mạng LAN
• Mạng truyền hình cáp cung cấp cho người sử dụng dịch vụ truyền hình chất
lượng cao thông qua dường cáp quang hay cáp đồng trục kết nối nhà cung cấp
với người sử dụng.
• Hiện nay các nhà mạng sử dụng dịch vụ truy nhập internet siêu tốc dựa trên
công nghệ cáp quang FTTH. Với dịch vụ này, các nhu cầu về truyền tải dữ
liệu, truy nhập tốc độ cao với băng thông rộng được đáp ứng một cách hoàn

hảo và chi phí hợp lý. Đây là công nghệ tiên tiến hiện nay và đang được các
quốc gia trên thế giới tin dùng, như Hàn Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ,…
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
13
Hệ Thống Thông Tin Quang
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Giới thiệu chương
Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật thì cáp quang và sợi quang càng
ngày càng được phát triển nhằm phù hợp với các môi trường khác nhau như dưới nước,
trên đất liền, treo trên không, và đặc biệt gần đây nhất là cáp quang treo trên đường dây
điện cao thế, ở bất kỳ đâu thì cáp quang và sợi quang cũng thể hiện được sự tin cậy tuyệt
đối.
2.2 Sợi quang.
2.1.1. Khái niệm.
Sợi quang là những dây nhỏ và truyền các ánh sáng nhìn thấy được. Chúng có lõi ở
giữa và phần vỏ bao bọc ở ngoài. Chiết suất vỏ lớn hơn chiết suất lõi.
2.1.2. Cấu tạo sợi quang.
Sợi quang cấu tạo 4 lớp: lõi – Code, lớp sơn phủ - Clading, đệm nhựa, vỏ ngoài.
• Lõi – Code: lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thủy tinh hoặc nhựa, mica, ở
đó ánh sáng được truyền qua. Đường kính của lõi càng lớn thì càng có nhiều ánh sáng
được truyền dẫn.
• Lớp sơn phủ - Clading: lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơn chỉ số khúc
xạ của lõi.
• Đêm nhựa: lớp này có thể bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và độ cong
quá mức.
• Vỏ ngoài: vỏ ngoài bao phủ lên sợi quang.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
14
Hệ Thống Thông Tin Quang
1. Phân loại sợi quang.

2. 2.1. Theo chiết suất của lõi.
Có 5 loại:
• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI.
• Sợi quang có chiết suất giảm dần GI.
• Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc.
• Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispertion – Shifted fiber).
• Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispertion - Flatened fiber).
2.2.2. Theo Mode trong sợi quang.
Có 2 loại chính. Hai loại này đại diện cho kiểu ánh sáng truyền trong sợi quang.
• Đơn mode (Single mode) : sợi DSF (G.653), sợi dịch tán sắc khác zero NZ – DSF
(G.653)
• Đa mode (Multimode) : sợi SI, GI (G.651).
Trong đó Multimode (MM) còn được chia ra làm 2 loại nhỏ :
• Chiết xuất liên tục (Multimode graded index):lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ
trong ra ngoài clading. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần clading.
• Chiết suất bước (Multimode stepped index): lõi lớn (100 micron), các tia tạo xung
ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi : thẳng, zig-zag tại điểm đến sẽ
nhận các tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng.
Single mode (SM) :
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
15
Hệ Thống Thông Tin Quang
- Chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10 micromet).
- Do chỉ truyền một mode sóng nên SM không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc
và thực tế SM thường được sử dụng hơn so với MM.
- SM có các bước sóng: 1310, 1550, 1627. Hiện nay các thiết bị SM dùng công
nghệ WDM thì còn có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nữa.
- Các tia truyền theo phương song song trục.
- Tín hiệu ít méo dạng.

2.2.3. Phân loại theo vật liệu chế tạo.
Có 3 loại:
• Sợi thủy tinh (All- glass fiber): lõi và lớp bọc bằng thủy tinh.
• Sợi plastic (All- plastic fiber): lõi và lớp bọc bằng plastic.
• Sợi PCS (Plastic- Cladded fiber): lõi bọc bằng thủy tinh, lớp bọc bằng nhựa.

2.3. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
- Sợi quang là vật liệu truyền thông tin dựa trên định luật phản xạ toàn phần ánh
sáng.
- Tia sáng khi đi từ môi trường có chiết suất cao qua môi trường chiết suất thấp thì
không đi thẳng (hay còn gọi là tán xạ) mà sẽ phản xạ lại.
2.3.1. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
16
Hệ Thống Thông Tin Quang
Điều kiện để xảy ra hiên tượng phản xạ toàn phần:
 Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết
suất nhỏ hơn.
 Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
2.3.2. Khẩu độ số

Hình 3.2. Khẩu độ số của sợi quang.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
17
Hệ Thống Thông Tin Quang
n
o
sin O
i
được gọi là khẩu độ số (NA) của sợi. nó đặc trưng khả năng tập trung ánh

sáng vào sợi. Vì n
1
gần bằng n
2
, thì NA xấp xỉ bằng:
NA = n
1

∆2
Với = (n
1
-n
2
)/n
1
∆
0,14< NA < 0,50
2.3.3. Suy hao trên sợi quang
Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là một yếu tố rất là quan trọng cần
được xem xét khi thiết kế hệ thống thông tin quang vì nó đóng vai trò chủ yếu xác định
khoảng cách truyền dẫn cực đại giữa phần phát và phần thu hoặc có quyết định có đặt bộ
khuếch đại trên đường truyền hay không.
Suy hao (Attenuation):mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình truyền
dẫn trên một khoảng cách xác định. Ký hiệu dB/km.
Suy hao công suất tín hiệu trên sợi quang
P
∆
có chiều dài L được tính theo biểu
thức:

P
∆
=
α
L
= 10log (P
IN
/P
OUT
) (dB)
Trong đó: P
IN
và P
OUT
là công suất đầu vào và đầu ra của sợi quang.
α
là suy hao tín hiệu trên 1 km của sợi quang. Ta có biểu thức suy hao:








=
OUT
IN
P
P

L
log
10
α
(dB/Km)
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
18
Hệ Thống Thông Tin Quang

Trong thực tế, sợi quang hoạt động tại 900 nm có suy hao trung bình 3 dB/km.
Nghĩa là công suất quang giảm đi 50% khi truyền được 1 km và giảm 75% (tương ứng 6
dB/km) khi truyền qua 2 km.
Các loại suy hao thường gặp:
 Suy hao tín hiệu do tạp chất hấp thụ.
 Suy hao tín hiệu do vật liệu hấp thụ.
 Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ.
 Suy hai do tán xạ reyleigh.
 Suy hao do uốn cong sợi.
 Suy hao lớp lõi và vỏ.

Hình 3.2. Các loại suy hao trên các bước sóng khác nhau.
2.3.4. Ánh sáng truyền trong các sợi mode
- Sợi Single mode:
 Trong Single mode, ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp.
 Single mode chỉ có thể truyền 1 ánh sáng với 1 bước sóng nhất định.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
19
Hệ Thống Thông Tin Quang
- Sợi Multimode:
 Trong Multi Mode, ánh sáng đi theo một chùm tia sáng có dạng sơ đồ hình Sin

đồng trục.
 Multimode có thể truyền cùng lúc nhiều ánh sáng với góc anpha khác nhau.
- Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang:
Hình 3.4.1 .Ánh sáng truyền trong sợi quang MM-GI
n
2
n
2
Hình 3.4.2. Ánh sáng truyền trong sợi quang MM_SI
n
2
n
2
n
1
Hình 3.4.3 .Ánh sáng truyền trong sợi quang SM
n
2
n
2
n
1
2.4. Tán sắc
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
20
Hệ Thống Thông Tin Quang
Tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang gây nên méo
dạng tín hiệu làm bên thu khó phụ hồi tín hiệu. Tán sắc gồm tán sắc mode, tán sắc vật
liệu và tán sắc ống dẫn sóng.

II. Nhiễu trong sợi quang.
2.1. Khái quát.
Hệ thống thông tin sợi quang ít bị nhiễu bên ngoài tác động. Tuy nhiên, bản thân
các thiết bị trong hệ thống lại sinh ra nhiễu. Đặc biệt là các bộ khuếch đại. Nguồn nhiễu
chính trong các bộ khuếch đại quang là nhiễu phát xạ tự phát. Vì sự phát xạ tự phát là các
sự kiên ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ phát cũng ngẫu nhiên. Nếu photon phát
xạ tự phát có hướng truyền 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 được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ 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 nhiễu phát xạ tự phát được
khuếch đại ASE (Amplifited Spontaneous Emission)
P
out
= G*P
in
+ P
ASE
2.2. Phân loại nhiễu trong các hệ thống khuếch đại.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
21
Hệ Thống Thông Tin Quang
2.2.1. Nhiễu nổ.
Nguyên nhân: Quá trình lượng tử hóa điện tích thành các hạt q hoặc tương đương
với quá trình lượng tử hóa năng lượng ánh sáng thành các photon.
2.2.2. Nhiễu nhiệt.
- Bộ thu quang chứa nhiều thành phần điện khác nhau -> bổ sung nhiễu nhiệt.
- Nhiễu bộ khuếch đại: chủ yếu nhiễu nhiệt, lượng nhiễu bổ phụ thuộc vào kiểu bộ

tiền khuếch đại và bộ khuếch đại sử dụng.
- Nhiễu nhiệt ở các bộ khuếch đại khác nhau được đặc trưng qua đại lượng F
n
- hình
ảnh nhiễu bộ khuếch đại.

Hệ số F
n
đặc trưng cho sự tăng cường nhiễu nhiệt bởi các điện trở khác nhau được
sử dụng trong các bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại chính.
2.2.3. Nhiễu tổng.
Dòng nhiễu tổng : cộng của nhiễu nổ và nhiễu nhiệt.
2.3Các loại nhiễu trong hệ thống khuếch đại quang
2.3.1. Khuếch đại quang sợi EDFA
Loại nhiễu chính trong khuếch đại quang sợi là ASE. Đây là nhiễu phát xạ tự
phát của các ion Erbium trong sợi EDF.
2.3.2. Khuếch đại Raman
Có 2 loại nhiễu chính là : ASE và DRS. Khi nguồn bơm Raman nhiễu cao, các bit
riêng lẻ có thể bị khuếch đại khác nhau dẫn đến các dao động về biên độ hay rung pha.
Do đó nhiễu bơm ảnh hưởng mạnh đến WDM. Nếu dùng cấu hình bơm ngược, các cấu
hình của công suất bơm Raman sẽ được lấy trung bình ở ngõ ra, nhờ đó có thể giảm được
nhiễu khuếch đại cộng bơm.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
22
Hệ Thống Thông Tin Quang
2.3.3. Khuếch đại ghép lai HFA
Nó là bộ khuếch đại ghép lai giữa EDFA_Raman . Và khuếch đại Raman lại được
đăttrước EDFA có vi trò như một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp, khuếch đại Raman
không yêu cầu mức tin hiệu vào cao do đó giảm được các hiệu ứng phi tuyến đồng thời
tín hiệu không giảm xuống ở mức quá thấp khi có sử dụng khuếch đại Raman, hay nói

cách khác, khuếch đại Raman nâng mức công suất tín hiệu vào của EDFA vì vậy tỷ số tín
hiệu trên nhiễu được duy trì ở mức cao.
Do kết hơp của 2 khuếch đại trên nên HFA có tỷ số tín hiệu trên nhiễu được duy trì
ở mức cao. Nó sẽ có 3 loại nhiễu tác động lên:
+ Nhiếu ASE do EDFA tạo ra.
+ Nhiễu ASE do Raman tạo ra.
+ Nhiễu tán xạ Rayleigh kép (DRS) do Raman tạo.
2.3.4. Nhiễu trong EDFA.
- ASE (Amplified Spontaneous Emission) là loại nhiễu chính trong EDFA.
- Nguồn gốc của nhiễu này là do sự tái hợp tự phát của các electron và lỗ trống
trong trong đoạn sợi khuếch đại. Sự tái hợp này làm tăng độ rộng phổ nền của các
photoon được khuếch đại cùng với tín hiệu quang.
- Nhiễu ASE sinh ra do hiện tượng phát xạ tự phát của các ion Erbium trong sợi
EDF của EDFA khi chúng nhảy từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp mà
không có sự kích thích của ánh sáng tín hiệu.
- Nhiễu tự phát này có thể được mô hình như là một luồng rất nhiều các xung ngắn
ngẫu nhiên được phân bố dọc theo phần trung gian khuếch đại. Quá trình ngẫu nhiên này
đặc trưng bằng phổ công suất nhiễu bằng phẳng với tần số. Mật độ phổ công suất của
nhiễu ASE được biễu diễn:
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
23
Hệ Thống Thông Tin Quang
S
ASE
(f)= hvn
sp
[ G(f) – 1 ]=P
ASE/
∆
V

opt
Trong đó: P
ASE
: công suất nhiễu ASE ứng với băng thông
∆
V
opt

n
sp
: hệ số phát xạ tự phát hoặc hệ số nghịch đảo mật độ tích lũy.
n
sp
= n
2
/(n
2
– n
1
)
Trong đó : n
1
, n
2
: tương ứng là mật độ của các electron trong trạng thái 1 và 2.
Từ phương trình trên ta có thể tòm được hệ số nhiễu của bộ khuếch đại quang:
NF = F =(S/N)
in
/ (S/N)
out

= (1+2*n*n
sp
(G - 1)) / G
Mức nhiễu phụ thuộc vào việc sử dụng nguồn bơm cùng hướng hay ngược hướng.
Kết luận chương
Kết thúc chương 2 giúp ta hiểu thêm về những đặc tính kỹ thuật của sợi quang
và cáp quang. Để ứng dụng quang trong hệ thống thông tin thì sợi quang phải được bọc
thành cáp. Với các môi trường khác nhau thì cấu trúc của cáp quang cũng khác nhau để
phù hợp với nhu cầu thưc tế. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng tốt của hệ thống thì các
thiết bị phát quang cũng như các thiết bị thu quang cũng góp một phần rất quan trọng và
phần này sẽ được nghiên cứu ở chương sau.
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
24
Hệ Thống Thông Tin Quang
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHÁT QUANG VÀ THIẾT BỊ THU QUANG
3.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ trình bày một cách khá chi tiết về thiết bị phát quang như LED, LD
hay thiết bị thu PIN, APD cũng như nguyên tắc hoạt động của nó để từ đó chúng ta có thể
lựa chọn được thiết bị phù hợp với hệ thống và yêu cầu thiết kế.
3.2 Thiết bị phát quang
3.2.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng
Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp ( ), không có điện
tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn ( ), thì ở điều kiện đó nếu có một năng
lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên
mức năng lượng . Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để truyền năng lượng cần tới
một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch chuyển của điện tử tới một mức năng
lượng khác được gọi là sự chuyển dời.
Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao bị hạt nhân nguyên tử hút và quay về
trạng thái ban đầu. Khi quay về trạng thái thì một năng lượng đúng bằng - được
giải phóng. Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được giải phóng tồn tại ở

dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng
phát xạ được tính theo công thức:
Đồ án chuyên nghành -ĐTVT
1
E
2
E
2
E
2
E
1
E
2
E
1
E
25