KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI EDFA SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BIỂN

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Điểm:……………………………………(bằng chữ:…………………………)
…….,ngày… tháng… năm 2012
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Điểm:……………………………………(bằng chữ:…………………………)

…….,ngày… tháng… năm 2012
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(ký và ghi rõ họ tên)
Đ án tt nghip Đại học
MỤC LỤC
Lời nói đầu
Sự trao đổi thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sớm, từ xa xưa con
người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu cho nhau và đây có thể coi là hình thức
thông tin sớm nhất. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức
thông tin dần phong phú và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin
hiện đại như ngày nay. Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệ
thống thông tin quang đặc biệt là các hệ thống thông tin quang biển nổi lên là các hệ
thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh chóng triên mạng lưới
viễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các cự ly và tốc độ
truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất.
Hệ thống truyền dẫn quang dưới biển là một bước đột phá lớn trong ngành công
nghiệp viễn thông, với khoảng cách truyền dẫn dài, có thể vượt qua các vùng biển lớn
như Đại Tây Dương, Thái Bình Dương, độ ổn định của hệ thống cao, dung lượng và
tốc độ truyền dẫn lớn, mạng thông tin quang biển đang ngày một khẳng định vị thế của
mình. Tuy nhiên để đạt được các yêu cầu cao như vậy, kĩ thuật khuếch đại quang là
một yếu tố then chốt trong hệ thống. Nó làm tăng công suất tín hiệu, cho phép kéo dài
khoảng cách truyền dẫn thông tin và giúp giảm bớt số trạm lặp trên tuyến truyền.
Vì vậy, trong đề tài này em đã tìm hiểu về kĩ thuật khuếch đại EDFA sửdụng
trong hệ thống thông tin quang biển. Đồ án được chia làm 3 chương:
 Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang biển
 Chương II: Khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA)
 Chương III: Một số vấn đề thiết kế và sử dụng EDFA trong hệ thống
thông tin quang biển
Lã Hà Thu – D08VT4 4
Đ án tt nghip Đại học

Đồ án đã đưa ra các khái quát chung về hệ thống thông tin quang biển, các yêu cầu khi
thiết kế và sử dụng EDFA cho hệ thống này. Tuy nhiên do giới hạn về thời gian và
hiểu biết của bản thân còn hạn chế, nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhậnđược những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô giáo, các cán bộ nghiên
cứu, bạn bè sinh viên và độc giả để đồ án này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đặc biệt các thầy cô trong khoa Viễn
Thông 1 đã dìu dắt em trong quá trình học tập tại trường.Đặc biệt em xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Đức Nhân đã tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn
thành đồ án này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những
người đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.
Hà Nội, tháng 12/2012
Sinh viên
Lã Hà Thu
Thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt
ASE Amplifier Spontaneous Emission Khuếch đại bức xạ tự phát
BU Branching Unit Bộ chia nhánh
CANTAT Canadian Transatlantic
Telecommunications cable
Cáp viễn thông truyền dẫn
xuyên Đại Tây Dương của
Canada
DCM Dispersion-Compensating Module Modul bù tán sắc
DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi suy hao tán sắc
DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp
erbium
FBG Fiber Bragg Grating Mạng lưới sợi Bragg
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp
FFD Full Fiber-Drop Bộ rẽ sợi

FIT Failure In Time Thời gian lỗi
FPA Fabry-Perot Amplification Độ khuếch đại Fabry-Perot
GaAs Gallium Arsenide Gali Asenua
GaAIAs Gallium Aluminum Arsenide Nhôm Gali Asenua
GFF Gain Flattening Filter Bộ lọc làm phẳng phổ
khuếch đại
GPW Gain Peak Wavelengths Bước sóng khuếch đại đỉnh
LDs Laser Diode wavelengths Bước sóng laser đi ốt
PFE Power-Feed Equipment Trạm cấp nguồn
Lã Hà Thu – D08VT4 5
Đ án tt nghip Đại học
PMD Polarization Mode Dispersion Phân tán mode phân cực
PHB Polarization Hole Burning Sự đốt cháy lỗ trống phân
cực
RZ Return to Zero Trở về không
SHB Spectral Hole Burning Sự đốt cháy lỗ trống phổ
SEQ Shape Equalizer Bộ cân bằng hình khối
STC Standard Telephones & Cables Tiêu chuẩn điện thoại và cáp
STL Standard Telecommunication
Laboratories
Phòng thí nghiệm các tiêu
chuẩn viễn thông
TAT Transatlantic Telecommunication
cable
Cáp viễn thông truyền dẫn
xuyên Đại Tây Dương
TCP Transmitter Cable Pacific Cáp truyền dẫn xuyên Thái
Bình Dương
TEQ Tilt Equalizer Bộ cân bằng nghiêng
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

bước sóng
Lã Hà Thu – D08VT4 6
Đ án tt nghip Đại học
Danh mục hình vẽ
Bảng 1: Bảng so sánh EDFA hoạt động ở băng C và băng L………………… 30
Lã Hà Thu – D08VT4 7
Đ án tt nghip Đại học
Lã Hà Thu – D08VT4 8
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRÊN
BIỂN
1.1. Giới thiệu chung
Từ nửa sau thế kỉ 19, sự xuất hiện của dây cáp trong thông tin liên lạc xuyên đại
dương là một sự đột phá lớn trong ngành công nghiệp viễn thông.Nó được xem như
cuộc chinh phục vùng biển sâu và lớn kéo dài giữa các châu lục và quan trọng không
kém những cuộc du hành vũ trụ vào nửa cuối thế kỉ 20.Sau thời gian này, cáp biển
phát triển chậm hơn và người ta không nhận ra rằng trong 10 năm qua đã chứng kiến
một cuộc cách mạng hoàn toàn của truyền thông với sự ra đời của sợi cáp quang ngầm
dưới biển. Trong vòng 10 năm, công suất mỗi cáp tăng lên 10000 lần dẫn đến có thể
truyền dẫn được đồng thời hơn 100 triệu cuộc gọi thoại qua đại dương. Ngày nay,
không có công nghệ nào có thể thay thế được cáp quang biển, nó đã có được vị trí độc
quyền trong thoại và dữ liệu truyền thông quốc tế.Hình 1.1 minh họa các thế hệ quang
học dẫn tới bước nhảy vọt đáng kể về sự phát triển của công suất sợi quang qua ba
công nghệ liên tiếp kể từ lần đầu tiên lắp đặt vượt Đại Tây Dương năm 1858.
Hình 1.1: Tổng quan về công suất cáp quang qua từng giai đoạn.
Nguồn gốc của truyền thông quang học là hai phát mình lớn: tia laser (1960) và
sợi cáp quang học (1964-1966). Hai phát minh này ứng dụng trong quang học giống
như các bóng bán dẫn lưỡng cực trong vi điện tử được phát minh năm 1949. Hệ thống
thông tin quang ra đời năm 1970 lần đầu tiên biểu diễn hoạt động sóng liên tục ở nhiệt
độ phòng, một mặt biểu diễn tia laser GaAs, mặt khác chứng minh sợi quang silica có

khả năng gây ra tổn hao rất thấp (20dB/km ở bước sóng 850nm). Sợi silica có cửa số
Lã Hà Thu – D08VT4 9
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
truyền dẫn đầu tiên phù hợp với bước sóng của tia laser GaAs. Các công nghệ sau đó
phát triển qua những bước tiếp theo đã tìm ra được sợi quang đơn mode, cửa số thứ 2
và thứ 3 (1300nm và 1500nm) mà ở đó sự suy giảm của sợi silica là tối đa (0,2dB/km
ở bước sóng 1500nm), máy khuếch đại quang đất hiếm thay thế nguồn tái sinh điện và
cuối cùng là sự xuất hiện của công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) với nhiều
bước sóng được ghép, mỗi sóng mang khác nhau sẽ có dòng dữ liệu được truyền trên
một sợi đơn mode.
1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống cáp quang biển
1.2.1. Sự ra đời của công nghệ quang
Ngay từ khi laser xuất hiện, nó đã gây ra những thay đổi mạnh mẽ trong ngành
công nghiệp viễn thông. Ý tưởng đầu tiên là sử dụng sự lan truyền của không gian tự
do hoặc trong các vật nhìn thấy (ruby và helium-neon) hoặc ở giữa vùng hồng ngoại
(carbon dioxide) tuy nhiên cũng xuất hiện những hạn chế do ảnh hưởng từ không khí
(sương mù, mưa, ) và từ không gian ( khoảng cách truyền dẫn ngắn, ).
Sự thay đổi trong việc lựa chọn vật liệu và sản xuất sợi silica quang học có khả
năng tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi đã tạo ra bước đột phá đáng
kể.Thay vì sử dụng kĩ thuật thủy tinh truyền thống, phương pháp lắng đọng hơi hóa
chất sử dụng cho chất bán dẫn đã được đưa ra.Điều này cho phép Corning tạo ra một
sợi với tổn hao hấp thụ là 20dB/km ở bước sóng 850nm vào năm 1970.Sự cải tiến về
kĩ thuật vào năm 1972 cho kết quả tổn hao chỉ còn lại 4dB/km ở cửa sổ đầu tiên (xem
hình 1.2).
Laser bán dẫn có thể hoạt động trong một mode sóng liên tục ở nhiệt độ
phòng.Do silicon và germanium không phù hợp nên laser bán dẫn được tạo ra chủ yếu
từ các hợp chất III-V và đặc biệt từ GaAs. Laser từ GaAs được tạo ra lần đầu tiên vào
năm 1962 và nó đã vượt xa các điều kiện cần thiết khi hoạt động xung ở nhiệt độ
helium lỏng (4K). Trong khi đó laser tiếp giáp p-n với phân cực trực tiếp không đủ
điều kiện cải thiện được những đặc điểm của laser do các tính chất nội tại của vật liệu.

Hình 1.2: Các cửa sổ quang trong hệ thống sợi quang
Để khắc phục hạn chế hiện tượng vật lý cơ bản này, một ý tưởng là sử dụng cấu
trúc khác gallium arsenide/gallium aluminum arsenide (GaAs/GaAIAs) để giới hạn
không gian các hạt tải phụ. Điều này đã được thực hiện thành công, sóng liên tục hoạt
Lã Hà Thu – D08VT4 10
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
động ở nhiệt độ phòng bằng laser lần đầu tiên thu được tại phòng thí nghiệm Bell vào
năm 1970. Sự ăn khớp giữa bước sóng laser và silica ở cửa sổ đầu tiên là sự trùng hợp
ngẫu nhiên thuần túy.
Các điều kiện cơ bản để kiểm tra các hệ thống viễn thông sợi quang đã được
hoàn thành. Để đơn giản hóa nối sợi và kết nối giữa các thành phần (từ bộ phát tới
người nhận) thì sợi đa mode (đường kính lõi từ 50 đến 62,5mm, cho phép hoạt động
đa thu phát) đã được lựa chọn.
1.1.2. Sự xuất hiện của hệ thống quang truyền dẫn dưới biển đầu tiên
Cáp sợi quang đầu tiên được lắp đặt ở mạng mặt đất từ năm 1982, giao diện
giữa các hệ thống tương tự đồng trục dưới biển và các loại cáp kĩ thuật số mặt đất hoặc
các viba số trở nên cần thiết và đã được phát triển, tuy nhiên chúng không đủ khả năng
để đáp ứng nhu cầu sử dụng lâu dài.
Sợi thủy tinh xuất hiện là giải pháp thích hợp nhất cho một bước tiến mới trong
truyền thông dưới biển, và thách thức đầu tiên, một lần nữa là để vượt qua Đại Tây
Dương.
Nguồn gốc của sợi quang được tìm thấy vào năm 1966 tại Anh khi hai nhà khoa
học của Anh ở phòng nghiên cứu các tiêu chuẩn viễn thông (STL: một bộ phận nghiên
cứu của ITT/STC) báo cáo rằng “Một vật liệu sợi thủy tinh được cấu tạo trong một cấu
trúc có vỏ bọc được coi như một ống dẫn sóng quang học. So sánh với cáp đồng trục
hiện tại, ống dẫn sóng này có một dung lượng thông tin lớn hơn và chi phí để chế tạo
sản phẩm này thấp hơn”.
Một thập kỉ sau, vào năm 1977, 4km chiều dài đã được cài đặt giữa Hitchin và
Stevenage, phía bắc London do STL thực hiện. Hệ thống hoạt động ở 140Mpbs tại
bước sóng 850nm qua sợi đa mode. Vì vậy, chúng ta đã có giải pháp đáng tin cậy cho

một hệ thống cáp ngầm dưới biển từ sự phát triển của GaA (Gallium arsenine) dựa trên
thành phần quang điện tử.
Bốn trung tâm nghiên cứu lớn bao gồm: phòng nghiên cứu tiêu chuẩn viễn
thông (Anh), phòng nghiên cứu Bell (Hoa Kì), CNET (Pháp) và phòng nghiên cứu
R&D RDD đã quyết định sử dụng ánh sáng của sợi đơn mode ở cứ sổ thứ 2 với bước
sóng 1300nm (thay vì sợi đa mode tại 850nm được sử dụng hầu hết ở các hệ thống
trên mặt đất) để tận dụng lợi thế ít phân tán và độ tổn hao thấp (0,4dB/km). Do đó
hướng phát triển mới đã được đưa ra bao gồm thiết kế các laser diode, photodiode dựa
trên bán dẫn quang điện tử Indium Phosphide và các mạch tích hợp để thực hiện tái
sinh kĩ thuật số khi cần thiết trong các bộ lặp dưới biển.
Khi lên kế hoạch phát triển TAT8 bằng việc đi tiên phong trong sử dụng kĩ
thuật sợi đơn mode 1300nm ở 280Mbps truyền dẫn xuyên Đại Tây Dương, hai mục
tiêu đã được xác định: khả năng chia nhánh từ các sợi và khả năng tích hợp của các
phần (đoạn) khác nhau bởi các nhà cung cấp khác nhau. Sau đó, AT&T, Alcatel và
STC đã gửi các đề xuất này tới Hoa Kì, Pháp và Anh Quốc.Đồng thời, AT&T và KDD
đã phát triển cáp xuyên Thái Bình Dương TCP3. Cấu trúc sợi cáp và độ tin cậy của các
thành phần (laser, mạch tích hợp và máy thu) được coi là các vấn đề quan trọng. Các
Lã Hà Thu – D08VT4 11
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
loại cáp quang biển được thử nghiệm lần đầu tiên bởi “Big Four” từ năm 1980 tới
1988 (TAT8).
Một mạng cáp sợi quang biển quan trọng đã được lắp đặt từ năm 1988 tới năm
1995, nó được nối từ Anh tới một số quốc gia châu Âu. TAT8 đã được đưa vào sử
dụng vào tháng 10 năm 1988, với khả năng cung cấp 7680 kênh hoạt động ở 64Kbps.
TPC3 cũng sử dụng các công nghệ giống như TAT8 và được phát triển vào năm 1989
bởi AT&T và KDD. TAT8 và TPC3 đã chứng minh tính khả thi của việc ghép nối các
đoạn khác nhau được sản xuất từ các nhà cung cấp khác nhau và của các bộ chia
nhánh ở dung lượng 140Mbps.
Trong quá trình phát triển của các sợi TAT8, các nhóm nghiên cứu đã tìm ra
một cửa sổ thứ ba hoạt động tại 1550nm có thể được sử dụng. Ưu điểm của nó là tổn

hao thấp chỉ 0,2dB/km, giảm số lượng trạm lặp và do đó giảm chi phí hệ thống. Kết
quả là TAT9 và TPC5 đã được cài đặt từ cuối năm 1989 tới năm 1995 với 560Mbps ở
mỗi sợi. TAT9 có cấu hình “Y”, với một đầu ở Hoa Kì và hai đầu ở châu Âu (đặt tại
Anh và Pháp). Bộ chia nhánh hoạt động như một bộ ghép được đặt ở dưới biển, cho
phép điều chỉnh phân bố tốc độ bit giữa Anh và Pháp.
1.1.3. Ứng dụng quang học vào hệ thống
Khi hệ thống 560Mbps được phát triển hoàn thiện và công nghiệp hóa thì hầu
hết các nhà khai thác đều cho rằng hệ thống này có thể cung cấp đầy đủ nhu cầu của
con người trong một thời gian dài và do đó đã không có hướng phát triển về một hệ
thống mới có hiệu suất cao hơn. Điều này trở nên rõ ràng hơn khi hệ thống 2,5Gbps
được quan tâm thực sự trong đề án hệ thống phân cấp kĩ thuật số đồng bộ SDH nhằm
đáp ứng cho nhu cầu truyền dẫn ngày càng tăng. Vì vậy, câu hỏi đặt ra là: Chúng ta có
nên dựa vào khái niệm truyền thống về bộ lặp để phát triển hệ thống hay nên có một
bước nhảy về tiếp cận các phương pháp khuếch đại?
Các giải pháp tái sinh truyền thống đã được đưa ra với những lợi ích và tồn tại
những hạn chế của các mạch 2,5Gbps với độ tin cậy cần thiết. Một hệ thống
(CANTAT3) đã được phát triển theo hướng này và được lắp đặt bởi STC nhưng nó chỉ
là tạm thời. Khả năng thứ hai đầy tham vọng là tiếp cận phương pháp khuếch đại
quang học.
Trong vòng vài năm, có nhiều phòng thí nghiệm đã nghiên cứu về “dự án tự
nhiên” (natural scheme) của bộ khuếch đại bán dẫn. Tuy nhiên, người ta phát hiện ra
rằng một số tính chất vật lý của các bộ khuếch đại không tương thích với các yêu cầu
của các hệ thống có khoảng cách xa nhau, đặc biệt là khi tính đến các khả năng của
WDM. Trong khi đó, khuếch đại sợi pha tạp Erbium đã được biết đến từ lâu với độ
siêu bền vượt qua mong đợi và bây giờ nó được xem như một công nghệ quan trọng
của truyền thông quang học hiện đại. Khuếch đại quang sợi Erbium được cho là có
triển vọng khi áp dụng nó vào hệ thống TAT12/13 cũng như cho TPC5 vào những
năm 1994 và 1995. Chúng cung cấp dung lượng lên tới 5Gbps ở mỗi sợi trên một bước
sóng đơn mode, cao gấp hai lần hệ thống tái sinh.
1.3. Mô hìnhhệ thống truyền thông dưới biển và chức năng từng thiết bị

Lã Hà Thu – D08VT4 12
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
Kể từ khi xuất hiện trong ngành công nghiệp viễn thông, mô hình hệ thống dưới
biển rất ít khi thay đổi, nhưng trong thực tế công nghệ sợi WDM được sử dụng đã dẫn
đến một cuộc cách mạng sâu sắc.Hình 1.3 cho ta một cái nhìn tổng quát về các thiết bị
chính có trong hệ thống.
Dữ liệu được truyền trong mô hình toàn quang thông qua các sợi silica trong
dây cáp biển ở tốc độ bit 1-2 Tbps trên một sợi sử dụng công nghệ truyền dẫn DWDM.
Tuy nhiên, bản thân các sợi cũng có suy hao do sự suy giảm tín hiệu đường truyền trên
một khoảng cách dài. Sự suy giảm công suất tín hiệu quang xảy ra khi khoảng cách lan
truyền tăng đến mức khoảng cách truyền dẫn vượt quá 400 km, các tín hiệu phải được
khuếch đại ở các cự li chính xác, thường là cự li 40-60 km để quá trình thu tín hiệu ở
trạm thu được thành công.
Các bộ lọc làm phẳng phổ khuếch đại (GFT) được sử dụng cho mỗi bộ lặp để
đảm bảo rằng mỗi kênh quang đều được gửi tới bộ lặp tiếp theo trong chuỗi mà vẫn
giữ nguyên mức công suất. Tuy nhiên, các mạch lọc bộ lặp không hoàn hảo và có
nhiều lỗi nhỏ ảnh hưởng tới sự phân tán của độ phẳng phổ tín hiệu sau khi truyền dẫn
qua các thiết bị. Các bộ cân bằng được lắp đặt vào mạng sau khi qua 12 bộ lặp để đảm
bảo giữ nguyên công cuất của kênh truyền trên mạng lưới, nói cách khác bộ cân bằng
có tác dụng cân bằng yêu cầu về đảm bảo các lỗi phát sinh ít nhất trên mỗi kênh.
Các bộ lặp và bộ cân bằng cùng làm việc với nhau trong hệ thống truyền thông
dưới biển. Nhưng nhiều mạng lại yêu cầu các đặc điểm khác để đơn giản trong truyền
dẫn điểm-điểm mà các bộ lặp và bộ cân bằng không thể đáp ứng. Mạng quang kết nối
và công suất tiêu thụ linh hoạt cần thiết để thoải mãn các đặc điểm bổ sung này được
cung cấp bởi các bộ phân nhánh (BUs) ở các node mạng.
Môi trường hoạt động của hệ thống ngầm dưới nước đặt ra nhiều yêu cầu cao
khi thiết kế máy móc. Độ sâu lắp đặt cho các bộ lặp và bộ cân bằng có bán kính hoạt
động khoảng 8 km. Ngoài ra còn yêu cầu thêm về độ bền cơ học khi chịu tác động của
áp suất nước bên ngoài. Hệ thống cần được hoạt động ở điện áp trên 15 kV, cao hơn
điện áp nước biển xung quanh, phải được thiết kế mà tất cả các thiết bị giới hạn điện

phải được cách nhiệt.
Hệ thống dưới nước phải được cấp nguồn từ các trạm đầu cuối hay còn gọi là
trạm cấp nguồn điện (PFE). Dòng điện này cung cấp công suất cho các bộ lặp, các bộ
cân bằng hoạt động và cho BUs trong một đoạn được phân phối dọc theo dây dẫn đồng
bọc ngoài sợi quang trong dây cáp biển. Trạm cấp nguồn không chỉ cung cấp nguồn
điện tới các thiết bị dưới biển mà còn được sử dụng để giới hạn các dây cáp trên mặt
đất và dưới biển, ngoài ra còn để cung cấp các kết nối trên đất liền, phân bố công suất
và kiểm tra các trạng thái điện năng trên mạng. Cấu trúc một mạng đơn giản chỉ ra
trong hình 1.3 có thể được cấp nguồn theo nhiều cách khác nhau. Các khoảng cách
giữa các trạm đầu cuối dài nhất, các bộ lặp, các bộ cân bằng, và các BUs trên cáp
đường trục có thể được cấp nguồn từ trạm đầu cuối A hoặc trạm B. PFE và cũng là
mỗi công suất cuối ở các nguồn phân cực trái ngược nhau có một nguồn nối đất ảo ở
giữa trục cáp hoặc giữa nhánh. Giới hạn điện áp cao làm cho PFE bắt buộc phải có
Lã Hà Thu – D08VT4 13
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
công suất rất lớn ở các trục với công suất được chia giữa các trạm đầu cuối. Dây cáp
thứ hai hay dây cáp nhánh là dây nối nút BU tới trạm đầu cuối thứ 3 (trạm C) trong
hình 1.3, dây cáp này được cấp nguồn từ trạm tiếp đất ngoài khơi ở BU và quá trình tái
sinh dòng điện ở biển. Ỡ mỗi thời gian, BU có thể được yêu cầu để cấu hình lại để tạo
thành một trong các route trục A-C hoặc B-C, trong thời gian đó dây cáp bị đứt gãy có
thể được sửa tại route A-B.
Hình 1.3: Mô hình hệ thống truyền thông dưới biển
Hệ thống mạng lưới biển được thiết kế sử dụng trong thời gian 25 năm.Mục tiêu
với độ tin cậy khi thiết kế thời gian hoạt động của hệ thống là không được sửa quá một
lần nên để duy trì thời gian làm việc này cần một cặp sợi trên cáp truyền dẫn trên biển
(7000km hoặc 175 bộ lặp). Độ tin cậy cao được đảm bảo khi thiết kế, với việc sử dụng
các điện tử có độ tin cậy cao và việc áp dụng của các thành phần phụ mà tốc độ hiển
thị lỗi cao hơn, các thao tác đặc trưng chính xác lẫn nhau trong quá trình chọn lọc,
kiểm tra, thử nóng, thông tin về các thành phần và việc sử dụng các bộ phận chế tạo
siêu sạch.

1.3.1. Sợi cáp
Sợi cáp bao gồm một lõi quang bảo vệ các sợi quang học, bao quanh bởi một
dây dẫn đồng nằm dưới nước, được cấp nguồn từ bờ biển và chất cách điện để cô lập
với môi trường nước bên ngoài. Sức bền cơ học được thực hiện bằng dây thép với các
lớp dây bổ sung quan trọng trong vùng nước nông mà ở đó sợi quang có thể bị ảnh
hưởng như từ việc thả neo hay hoạt động đánh bắt cả của người dân. Các sợi quang
học bản thân nó là một yếu tố quan trọng, được tối ưu hóa để thích nghi hoàn toàn với
dung lượng truyền dẫn mới nhất.
1.3.2. Bộ lặp
Bộ lặp có chức năng tái sinh các tín hiệu quang học sau khi đã bị suy giảm do
khoảng cách truyền dẫn ở mỗi tuyến. Chúng được đặt tại các vị trí cách đều nhau dọc
tuyến cáp và thường là 50km. Các bộ lặp chứa các bộ khuếch đại quang học dựa trên
khuếch đại tia laser của sợi quang, hoạt động này được thực hiện bằng cách máy bơm
laser bán dẫn cấp điện cho sợi pha tạp bơm quang học. Thiết bị cân bằng quang học
Lã Hà Thu – D08VT4 14
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
cũng được đưa vào thường xuyên để kiểm soát các phản ứng quang phổ của hệ thống.
Bởi vì sự phát triển không ngừng trong công nghệ khuếch đại quang học đã hướng tới
sự phát triển của băng thông và có nhiều bộ khuếch đại hơn trong một bộ lặp để hỗ trợ
một lượng lớn các sợi.
Các bộ lặp sử dụng trong truyền dẫn quang biển là các bộ khuếch đại sợi pha
tạp erbium (EDFA) để khuếch đại công suất của các tín hiệu trong các kênh ở băng C
(1525-1565 nm) của phổ truyền dẫn tia hồng ngoại. Kĩ thuật tương tự có thể được ứng
dụng để khuếch đại các kênh ở băng L (1570-1610 nm). Tất cả các thành phần ngập
nước đều được thiết kế trên cặp sợi cáp cơ bản để hoạt động song hướng (mỗi sợi sử
dụng cho một hướng), và các cặp khuếch đại là các khối xây dựng cơ bản của bộ lặp.
Mặc dù có một EDFA trên một sợi cáp nhưng các máy bơm laser diode (LD), bộ điều
khiển và mạch điện giám sát được chia giữa các EDFA của cặp khuếch đại. Một bộ lặp
đơn lẻ có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu lên trên 12 cặp sợi cáp trong khi đó
một mạng điển hình sẽ bao gồm 4 hoặc 6 cặp sợi cáp. Mô hình tổng quát của bộ lặp

được biểu diễn trong hình 1.4.
Công nghệ quang là công nghệ được sử dụng chủ yếu của bộ khuếch đại EDFA
được sử dụng trong các bộ lặp dưới biển ở một cặp sợi cáp.Các máy bơm laser diode
được cung cấp bởi một cặp hoặc bộ bốn bước sóng có độ lớn 1480 nm hoặc 980 nm.
Hình 1.4: Sơ đồ quang của bộ lặp EDFA dưới biển
Các bộ lặp quang đầu tiên sử dụng LDs có bước sóng 1480 nm. Sau đó các thiết
bị sử dụng nguồn công suất cao ở 980 nm trở nên phổ biến hơn do hiệu suất bơm cao
hơn với nhiễu tín hiệu đầu ra thấp hơn , vì vậy ngày nay nó đã được sử dụng cùng với
nguồn công suất ở bước sóng 1480 nm. Ở cả hai nguồn LDs 980 nm và 1480 nm đều
được sử dụng, đầu tiên để cung cấp nguồn cho hệ thống máy bơm tín hiệu và thứ hai
để cung cấp nguồn cho các máy bơm ngược.
Nguồn laser diode sử dụng ở bước sóng 980 nm trong hình 1.4 có mạng lưới
các bước sóng của chúng được điều chỉnh và công suất đầu ra của chúng kết hợp ở 2
Lã Hà Thu – D08VT4 15
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
bước, trước khi được chia ra và bơm vào hai sợi pha tạp erbium trong cặp khuếch đại.
Trong mỗi bộ khuếch đại EDFA, bức xạ bơm được phun vào sợi mang tín hiệu bằng
bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), bộ này thường cung cấp các tín hiệu
truyền dẫn ở 1550 nm với suy hao thấp nhất. Bức xạ bơm sau đó được đưa vào lõi sợi
pha tạp erbium có chiều dài từ 10 m tới 20 m, chiều dài và nồng độ tạp chất của sợi
được lựa chọn trên mạng chuẩn để khuếch đại các bước sóng tín hiệu với các mức
công suất và hệ số khuếch đại tương ứng. Sau khi qua sợi pha tạp erbium, tín hiệu đi
qua bộ cách ly với mức suy hao thấp để ngăn cản sự phản xạ ngược trở lại của ánh
sáng tín hiệu từ các thiết bị quang tiếp theo trên đường truyền.
Bộ lọc làm phẳng phổ khuếch đại được sử dụng để cân bằng công suất trên mỗi
kênh tín hiệu ra, và đảm bảo rằng tốc độ lỗi bit của tín hiệu thu là nhỏ nhất ở tất cả các
kênh. Nguyên nhân chính của sự mất cân bằng công suất kênh là do sự phân cực bước
sóng của bộ khuếch đại sợi EDF. Các bộ GFF điều chỉnh sự phân cực bước sóng của
hình dạng khuếch đại ở bộ khuếch đại sợi EDF, và có thể đưa vào một góc nghiêng
phía trước đối lập với góc nghiêng bắt nguồn từ sự lan truyền trên đoạn sợi tiếp theo.

Do hình dạng khuếch đại phụ thuộc vào sự phân bố công suất vào, công suất bơm và độ
nghiêng được gây ra bởi quá trình tán xạ Raman kích thích trên sợi là độ nhạy công suất
tín hiệu, nên công suất ra của mỗi bộ EDFA và suy hao nhánh sợi cần phải được kiểm
tra cẩn thận nếu GFF hoạt động hiệu quả. Hình dạng khuếch đại phụ thuộc vào bước
sóng bơm, nhiệt độ, và các quá trình không đồng nhất như SHB.Bước sóng bơm LD
thường được điều khiển bằng cách sử dụng mạng lưới bước sóng như trong hình 1.4.
Nếu có sự khác nhau về công suất vào của tín hiệu ở giá trị thiết kế danh định
thì phổ công suất ra của bộ khuếch đại EDFA sẽ hiển thị độ dốc hoặc độ nghiêng
tuyến tính. Vì lý do đó mà tất cả các bộ lọc có suy hao đầu ra đều được điều chỉnh ở
thời điểm bắt đầu làm việc để có công suất tín hiệu ra cố định (đưa ra công suất vào cố
định tới bộ lặp tiếp theo) tương ứng với hệ số khuếch đại cố định. Dựa vào hình 1.4 ta
thấy điều này dễ dàng thực hiện được bằng cách đưa đường ra của tín hiệu vào một bộ
suy giảm để lựa chọn giá trị trong lần kiểm tra cuối cùng ở nhà mạng.
1.3.3. Bộ cân bằng
Thiết bị cân bằng dưới biển được đặt trong các hệ thống để đảm bảo công suất
tín hiệu được phân bố đều giữa các kênh sao cho tốc độ lỗi bit đạt nhỏ nhất. Các bộ lọc
san bằng khuếch đại (GFF) được sử dụng trong mỗi bộ lặp để điều chỉnh sự biến dạng
của phổ công suất đầu ra. Tuy nhiên việc điểu chỉnh để cung cấp phổ đầu ra hợp lý
trên tất cả các kênh là không thể thực hiện được: không có sự ăn khớp trong quá trình
chế tạo cũng như đặc điểm của các thành phần; độ lệch từ các thiết bị truyền dẫn của
một mạng thay đổi do tuổi thọ của sợi cáp hoặc do sự sửa chữa dây cáp. Loại đầu tiên
của biến thiên độ phẳng được điều khiển với các bộ cân bằng động, trong khi đó bộ
cân bằng động làm độ lệch được tăng lên tuy nhiên thay đổi khá chậm trong suốt thời
gian hoạt động. Theo như đặc điểm của bộ cân bằng thì chúng có thể được sử dụng để
điều chỉnh độ dốc hoặc độ nghiêng của phân bố công suất kênh (khi ta có bộ cân bằng
Lã Hà Thu – D08VT4 16
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
theo độ nghiêng hoặc TEQs), hoặc để điều chỉnh đoạn phi tuyến tính thặng dư của quá
trình phân cực (bộ cân bằng hình dạng hoặc SEQs).
Các bộ cân bằng tĩnh dùng để điều chỉnh các lỗi còn tồn đọng do quá trình biến

thiên gây ra trong mỗi bộ lặp. Bộ cân bằng động này được đặt sau 10-15 bộ lặp giống
như một khối cân bằng. Chúng thực hiện chỉnh sửa các bộ lọc truyền dẫn. Các bộ cân
bằng tĩnh bao gồm các bộ lọc truyền dẫn được hiệu chỉnh được ghép nối vào các sợi
quang được định tuyến. Sự khác nhau giữa các bộ cân bằng theo độ nghiêng thụ động
và bộ cân bằng hình dạng thụ động là chỉ được sử dụng trong sự phân cực bước sóng
của các sợi. Các bộ lọc có thể là các thiết bị màng điện môi đa lớp hoặc mạng lưới sợi
Bragg. Thông thường suy hao chèn từ 3-7 dB ở dải cân bằng trung bình và dải cân
bằng thường là 1-6 dB. Các thành phần truyền dẫn của bộ lọc cần thiết để cân bằng các
công suất kênh trên băng thông tín hiệu xác định sau khi mặt cắt khuếch đại của một
bộ phận được định rõ từ các quá trình đo trực tiếp. Các bộ cân bằng tĩnh không yêu
cầu công suất nhưng cần có trở DC nhỏ hơn 0,5 ohm.
Bộ lặp với mức điều khiển tự động của công suất ra, độ giảm ở công suất tín
hiệu vào sẽ làm cho hệ số khuếch đại EDFA tăng lên ở bước sóng ngắn hơn so với
bước sóng dài hơn,
1.3.4. Bộ chia nhánh (BU)
Bộ chia nhánh được đặt dưới nước cho phép chia cáp ra thành nhiều nhánh nhỏ
để tới các địa điểm khác nhau trên bờ biển hoặc phân phối một phần lưu lượng truy
cập tới một điểm nào đó trên mặt đất.Bộ chia nhánh gồm nhiều thành phần phức tạp
không chỉ ở mức độ quang học mà còn ở mức điện học vì chúng là yếu tố then chốt để
cấu hình lại năng lượng.
Bộ chia nhánh thực hiện định tuyến đường đi cho các sợi hoặc các kênh quang
riêng lẻ ở các nút mạng dưới biển mà ở đó có ba dây cáp nối với nhau.Chúng giống
nhau về kích thước nhưng ở điểm cuối của BU có hai sự kết nối dây cáp như trong
hình 1.5. Bộ chia nhánh thực hiện định tuyến cho các sợi quang theo hai cách: bộ chia
nhánh toàn sợi pha tạp và ngược lại là bộ chia nhánh pha/thêm bước sóng thực hiện
lựa chọn lại các kênh riêng biệt được thêm hoặc trộn vào.
Lã Hà Thu – D08VT4 17
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
Hình 1.5: Bộ chia nhánh
Việc cấu hình lại các liên kết điện ở BU được điều khiển từ các trạm đầu cuối

trên mạng và là cần thiết nếu các yêu cầu về đường đi của nguồn điện được thay đổi
bởi nhiều nguyên nhân, bao gồm quá trình bảo dưỡng và khôi phục những chỗ bị đứt
gẫy trên dây cáp.
Bộ chia nhánh rẽ sợi (FFD) cung cấp khả năng định tuyến các sợi theo số
nguyên giữa cáp đồng trục trên đường truyền dẫn quang và nhánh cáp trên trạm đầu
cuối nhánh ở gần đất liền. Quá trình khuếch đại có thể được cung cấp trên một hoặc
nhiều cặp sợi, BU được thiết kế một cách bị động, tức là nó chỉ thực hiện việc thích
nghi của các sợi ghép nối và đổi hướng chúng mà không cần khuếch đại tín hiệu
truyền dẫn.
Bộ chia nhánh xen/rẽ bước sóng được sử dụng để xen/rẽ từ một tới bố kênh tín
hiệu. Cấu hình này phù hợp với các hệ thống được giới hạn số lượng cặp sợi và ở đó
sợi pha tạp sẽ định tuyến lại nhiều kênh hơn cần thiết. Xen/rẽ bước sóng được thực
hiện bằng cách sử dụng một kĩ thuật quang để chia các bước sóng thành các bước sóng
được điều khiển và kết hợp chúng để sử dụng trong mạng lưới sợi Bragg (FBG), các
bảng mạch quang và các bộ ghép nối. Các kênh được xen hoặc (và) được tách và các
kênh truyền dẫn được khuếch đại trong BU để bù cho lượng suy hao bằng các thành
phần quang bị động thêm/pha tạp.
1.3.5. Trạm cấp nguồn cho hệ thống dưới nước
Trạm cấp nguồn (PFE) được thiết kế để cung cấp một dòng điện DC ổn định tới
các thiết bị dưới nước. PFE cấp nguồn cho các bộ lặp, bộ cân bằng và bộ chia nhánh,
PFE được đặt tại các trạm đầu cuối. Mô hình tổng quát của PFE được chỉ ra ở hình
1.6. PFE sẽ được thu gọn để tối giản số khối trong trạm đầu cuối, sẽ hiệu quả và tin
cậy, có báo hiệu tín hiệu khi xuất hiện sự xuất phát của một mạng từ cửa sổ chờ ở các
chu kì dài hoặc ngắn, và cung cấp thông tin công suất của hệ thống tới nhà điều hành
mạng. Các phương pháp cấp nguồn và ngắt nguồn phải được thực hiện liên tục chính
xác và yêu cầu mức độ phối hợp giữa các trạm đầu cuối phải cao.
Lã Hà Thu – D08VT4 18
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
Hình 1.6: Mô hình tổng quát của PFE
Toàn bộ trạm dưới biển phải hoạt động ở dòng điện giống nhau và PFE phải

cung cấp đầy đủ điện áp tới tất cả các thiết bị nguồn ở cùng dòng điện đó.Các dòng
điện áp và các điện áp hệ thống có độ lớn trên 2000 mA và 15 kV. Ví dụ với mạng
truyền dẫn có khoảng cách 7000 km với 6 cặp sợi, 175 bộ lặp, 15 bộ cân bằng và giả
sử trở kháng của dây cáp là 1,0 ohm/km, hệ thống có điện áp là 16 kV sẽ cần một
cường độ dòng điện là 1000 mA, bao gồm một dung sai điện áp cho dòng điện cực
(200 mA). PFE có khả năng cung cấp điện áp từ 1-2 kV, cao hơn so với điện áp danh
định của toàn mạng để thực hiện truyền dẫn tín hiệu. Công suất được phóng tới trạm
dưới biển trong dây dẫn đồng của dây cáp có trở kháng từ 0,5-1,0 ohm/km. Phần lớn
công suất được cung cấp bởi các PFE bị hao hụt do sự nung nóng thuần trở trong dây
cáp. Ví dụ với hệ thống có công suất 16 kW thì có 7kW sẽ bị mất do sự nung nóng
thuần trở.
PFE phải được biến đổi để phù hợp với các mạng riêng lẻ, vì vậy thiết bị được
thiết kế thường là một modul. Các MOSFET công suất có hiệu suất 80-90 % của tổng
công suất HV ở tần số 20 kHz và chuyển mạch không mối nối giữa các mode điện áp
cố định và dòng điện cố định là hoàn toàn có thể xảy ra.
Trạm cấp nguồn sẽ cung cấp một bộ dự phòng ở mỗi trạm đầu cuối để đảm bảo
hệ thống luôn sẵn sàng hoạt động. Mặc dù mỗi PFE có khả năng cung cấp mức công
suất theo yêu cầu nhưng hai bộ này sẽ chia sẻ dữ liệu giữa chúng, bắt nguồn từ các tín
hiệu điều khiển phản hồi từ sự kết hợp giữa công suất ra hệ thống và công suất PFE
riêng lẻ. Khi một PFE bị hỏng thì bộ dự phòng sẽ tự động lấy toàn bộ dữ liệu tải từ
PFE đó.
Tất cả các thiết bị ngập nước đều được thiết kế cho các điều kiện khắc nghiệt
của độ sâu lên đến 8000m, khả năng chống ăn mòn và độ tin cậy là 25 năm nếu không
có lỗi xảy ra.
Lã Hà Thu – D08VT4 19
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
Cáp quang thường được đưa ra bờ biển và các sợi quang đến một trạm cáp
quang với:
• Thiết bị cấp nguồn sẽ cấp điện cho tất cả các thiết bị dưới nước hoạt
động, đặc biệt là các bộ lặp.

• Thiết bị truyền dẫn đầu cuối vừa có chức năng phát ra ánh sáng laser
được điều chế bằng tín hiệu truyền thông vừa đảm nhận tín hiệu truyền thông từ các
lục địa khác tới. Máy phát hoạt động từ sự điều chế của một laser bán dẫn được nhuộm
màu chất lượng cao có đầu ra được kết hợp (được ghép) thông qua cáp truyền dẫn.
Ánh sáng quang học được điều chế để tạo thành các bit thông tin. Máy thu bao gồm
các bộ cảm biến bán dẫn cho mỗi bước sóng tới sau khi tách sóng. Các bit thông tin sẽ
được sắp xếp lại và truyền về mặt đất.
• Một hệ thống quản lý mạng cho phép các nhà điều hành giám sát các
thông tin qua một máy tính bằng cách nhận các thông tin trạng thái và báo động trong
trường hợp xảy ra lỗi.
Trong trạm cáp, hệ thống dưới biển được kết nối với mạng mặt đất và thông tin
được phân bố tới các nút truyền thông khác nhau trên mặt đất để truyền tới khách
hàng.
1.4. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang biển trong tương lai
Sự phát triển về dung lượng ở mỗi sợi quang dường như đang dừng lại và thay
vào đó là sự đa dạng hóa các sản phẩm được cung cấp:
• Số lượng lớn cáp được cài đặt đều không dùng hết dung lượng của nó. Nó
có thể được nâng cấp bằng cách sử dụng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.
• Mạng lưới công suất khu vực thấp hơn là nhu cầu cần thiết để hoàn thành
đường trục liên lục địa. Chúng dựa trên sự kết hợp của các hệ thống lặp và không lặp.
• Các hệ thống mạng có sẵn được kết nối với nhau bởi các sợi dây cáp tạo
thành một hệ thống liên mạng, giúp nâng cao chức năng mạng mà hiệu quả về chi phí.
• Hệ thống liên mạng thành phố tới thành phố là cách có hiệu quả về chi phí
để tránh quá tải lưu lượng ở những nơi có nhu cầu cao.
• Nghiên cứu về các hệ thống có dung lượng cao hơn vẫn đang được tiếp tục,
với các giải pháp cung cấp một sự lựa chọn giữa mở rộng băng thông bằng cách bổ
sung các băng thông khuếch đại (bước sóng dài được gọi là L-band) và tăng băng
thông khuếch đại thông qua khuếch đại Raman. Sự gia tăng tốc độ bit kênh tới 40Gbps
vẫn là một vấn đề mở, đòi hỏi có các giải pháp để phù hợp với khoảng cách truyền dẫn
xuyên đại đương.

Trong những năm qua, độ rộng băng thông của bộ lặp đã tăng lên từ 3 tới 4 lần.
Các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng trong các bộ lặp dưới biển chỉ hoạt động ở
băng C (1525-1565 nm), tuy nhiên băng L (1570-1610 nm) cũng đã được đưa vào sử
dụng ở sợi pha tạp erbium giống như băng C. Điều này làm cho tốc độ truyền dẫn có
thể đạt tới 3,65 Tbps (365 kênh) với khoảng cách 6850 km khi sử dụng bộ khuếch đại
EDFA kết hợp băng L và băng C. Bộ ghép khuếch đại EDFA/Raman sử dụng băng
C+L trên khoảng cách 1200 km có tốc độ >40 Gbps trên một kênh. Việc mở rộng băng
S (1450-1520 nm) yêu cầu khai thác các kĩ thuật như bộ khuếch đại sợi florua pha tạp
Lã Hà Thu – D08VT4 20
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
tuli. Tốc độ truyền dẫn ở 10,9 Tbps (273 kênh) đã được chứng minh khi sử dụng kết
hợp cả ba băng thông S+C+L. Các bộ khuếch đại Raman băng thông rộng có thể được
sử dụng để bảo vệ hai dải phổ của băng C và L với nhau hoặc của dải phổ S+C+L.
Điều này hoàn toàn có thể đạt được với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật trong những
năm tiếp theo.
Theo như kết quả về yêu cầu cho các băng thông rộng và các băng thông bổ
sung, đặc biệt là nếu công nghệ Raman trở nên phổ biến trong hệ thống truyền dẫn
dưới biển thì các thế hệ mới của PFE sẽ cần thiết phải phát triển để hỗ trợ các nhu cầu
năng lượng gia tăng công suất bơm. Một yếu tố khác được xem xét mà có thể làm
chậm sự gia tăng của dung lượng là có những giới hạn thực tế cho kích thước và trọng
lượng của một bộ lặp. Ngoài những cải tiến trong công nghệ quang học, những tiến bộ
cần phải được thực hiện bởi các kĩ sư cơ khí. Sự nhỏ gọn có thể là lý do để lựa chọn
cho một giải pháp băng thông rộng Raman để nâng cao dung lượng bộ lặp.
Việc mở rộng tốc độ bit kênh từ 10 Gbps lên 40 Gbps được xem là sự phát triển
mạnh mẽ của hệ thống thông tin quang biển. Hệ thống với tốc độ bit cao và có giá trị
về mặt kinh tế sẽ đem lại lợi nhuận lớn cho các nhà đầu tư.
Độ rộng kênh hiện tại được sử dụng khá thấp xấp xỉ 50 GHz, tuy nhiên các nhà
nghiên cứu đã chứng minh rằng quá trình truyền dẫn dữ liệu với một độ rộng kênh là
22,2 GHz ở khoảng cách 6850 km
1.5. Kết luận

Giữa năm 1860 đến nay, mạng lưới cáp biển có thể cung cấp đầy đủ một loạt
các dịch vụ bao gồm điện báo, điện thoại, fax, dữ liệu, video và giờ đây là đa phương
tiện qua internet. Khả năng cung cấp cho khách hàng trong thời gian qua của hệ thống
thông tin quang biển là khởi đầu của kỉ nguyên công nghệ mới.
Việc mở rộng song song mạng lưới quốc tế dựa trên truyền hình cáp và vệ tinh
từ năm 1960 tới năm 1990 đã dần được bổ sung và được quản lý một cách cẩn thận
của các nhà trách Mỹ. Sự ra đời của truyền thông vệ tinh, cung cấp các dịch vụ trên
TV và điên thoại, đã được đánh giá cao hơn so với truyền thông dưới nước.
Ngày nay, với sợi quang, một cáp quang biển có thể truyền dẫn dung lượng cao
gấp 100 lần so với một kênh vệ tinh.Các dây cáp biển giờ đây chiếm vai trò quan trọng
trong truyền tiếng nói, dữ liệu và mạng quốc tế Internet.
Tự do hóa trong viễn thông góp phần mở rộng mạng lưới đã khiến số lượng các
nhà khai thác, các nhà đầu tư tài chính cao cấp tăng lên đáng kể. Dịch vụ internet và
dịch vụ truyền hình giờ đây phụ thuộc hoàn toàn vào mạng lưới thông tin quang biển.
Mạng lưới thông tin quang biển trên thế giới được chỉ ra ở hình 1.4
Lã Hà Thu – D08VT4 21
Đ án tt nghip Đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang trên biển
Hình 1.4: Mạng lưới hệ thống thông tin quang trên thế giới
Lã Hà Thu – D08VT4 22
Đ án tt nghip Đại học Chương II: Khuếch đại sợi quang pha tạp erbium-
EDFA
CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TẠP ERBIUM-EDFA
2.1. Giới thiệu sơ lược về khuếch đại quang
Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly tryền dẫn dài
tới mức phân bố suy hao không thỏa mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự phòng
thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm lặp ở
đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang – điện và
điện – quang. Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa được
nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành
khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về

tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đường truyền. Với sự phát triển của khoa học công
nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không
cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kĩ thuật khuếch đại
quang. Kĩ thuật khuếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của
trạm lặp như băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… Việc
phát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa
ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch
đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang. Khuếch đại quang có thể được
đặt ở các phần khác nhau của hệ thống thông tin. Tùy thuộc vào vùng lắp đặt khuếch
đại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như:
- Khuếch đại công suất
- Khuếch đại đường truyền
- Khuếch đại thu
Khuếch đại công suất: Bộ khuếch đại này được đặt sau nguồn sáng để khuếch
đại công suất tín hiệu truyền. Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công suất ra bị giới
hạn.
Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại côn suất tín
hiệu thu bị yếu trước khi đi vào bộ tách sóng.
Khuếch đại đường truyền: Khi khoảng cách truyền quá dài thì một số bộ khuếch
đại đường truyền phải được sử dụng. Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại quang
được đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn. Đối với sợi quang Soliton, xung ánh sáng
được truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đường truyền được sử dụng để cung
cấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến.
Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang và thành công chủ yếu
tập trung vào hai loại chính:
- Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA
- Các bộ khuếch đại quang sợi OFA
Bộ khuếch đại quang được đưa vào sử dụng cho các kênh WDM. Khuếch đại
Raman được khảo sát đầu tiên. Quá trình phi tuyến đã được chứng minh vào những
năm 1970 và cũng trong thời gian đó nghiên cứu về thủy tinh silica được hoàn thành

để lắp đặt vào các sợi liên kết silica có suy hao thấp. Khuếch đại Raman yêu cầu
khoảng cách thoại dài để cung cấp một hệ số khuếch đại.Khuếch đại Raman xuất hiện
Lã Hà Thu – D08VT4 23
Đ án tt nghip Đại học Chương II: Khuếch đại sợi quang pha tạp erbium-
EDFA
và trở thành phương pháp được sử dụng chủ yếu để bù cho lượng tín hiệu bị suy hao
trong các sợi quang. Vào cuối những năm 1980, khi bộ tái sinh điện được coi là có tầm
ảnh hưởng lớn nhất mà loài người tìm thấy thì họ lại chờ đợi sự phát triển tiếp theo của
truyền dẫn coherent, việc chứng minh khả năng ứng dụng của bộ khuếch đại sợi pha
tạp erbium đã thay đổi cách suy nghĩ của họ. Bộ khuếch đại này không yêu cầu đường
truyền dài và công suất bơm như ở bộ khuếch đại Raman, các yêu cầu đó đã được làm
giảm đi bằng hệ số 10 là hệ số nhỏ nhất. Điều này cho hiệu quả khuếch đại cao ở các
bộ khuếch đại EDFA và liên kết mức suy hao do sự va đập các sợi liên kết trên bộ
khuếch đại Raman. Các bộ khuếch đại EDFA sau đó đã được sử dụng và là công nghệ
quan trọng bậc nhất để phát triển mạng lưới quang và các hệ thống truyền thông kế
tiếp. Đơn vị hệ số suy hao nền là dB/km. Bù suy hao của sợi liên kết bằng từng bộ
khuếch đại là khối khai thác để quản lý công suất tín hiệu. Bởi vì bộ khuếch đại quang
là công nghệ chính để phát triển mô hình các hệ thống thông tin quang dưới biển.
2.2. Sơ lược về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
2.2.1. Khuếch đại quang sợi
Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp đất hiếm làm bộ khuếch đại tín hiệu
quang cho các tuyến truyền dẫn quang đã có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc độ và
cự ly truyền dẫn. Các sợi này được xem như là sợi quang tích cực, chúng có khả năng
khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu có kích thích phù hợp. Cơ chế hoạt động của sợi
quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại được mô tả như hình vẽ sau:
Hình 2.1: a. Cơ chế bức xạ trong 3 mức
b. Cơ chế bức xạ trong 4 mức
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức xạ có
bước sóng phù hợp nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển đổi tới mức cao hơn E2. Từ
mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu

như có một mức năng lượng thấp hơn (E3) nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó. Từ đây
điện tử có thể phân rã xuống mức E1 (hình 2.1a) hoặc E4 (hình 2.1b) thông qua quá
trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước
sóng dài hơn bước sóng kích thích. Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện
tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra nghịch đảo mật độ tích lũy.Đây là điều
kiện để các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới (E1 hoặc E4). Có nhiều
Lã Hà Thu – D08VT4 24
Đ án tt nghip Đại học Chương II: Khuếch đại sợi quang pha tạp erbium-
EDFA
các ion đất hiếm có các dải huỳnh quang cho khả năng bức xạ kích thích và khuếch đại
tín hiệu như (Neodium), (Erbium), (Holmi), Trong các sợi pha các tạp chất này thì
sợi quang pha tạp Erbium được phát triển mạnh nhất trong truyền dẫn sợi quang vì nó
phát ra tín hiệu ở bước sóng phù hợp với bước sóng có suy hao nhỏ sẵn có của sợi dẫn
quang – vùng bước sóng 1550nm. Các bộ khuếch đại sử dụng sợi pha tạp Erbium được
gọi là EDFA.
2.2.2. Sự ra đời của hệ thống khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)
Khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1987
và sau đó nó được đưa vào ứng dụng trong truyền dẫn thông tin quang. Trước khi tiến
tới các bộ khuếch đại quang, hệ thống truyền dẫn quang bao gồm một bộ truyền dẫn kĩ
thuật số và một máy thu phân chia bằng các đoạn cáp truyền dẫn quang học xen kẽ với
các đoạn cáp quang điện tử tái sinh. Các thiết bị tái sinh quang điện tử sẽ điều chỉnh sự
suy giảm, tán sắc và sự suy hao truyền dẫn khác của tín hiệu quang bằng cách phát
hiện các xung tín hiệu bị suy giảm và méo, tái sinh điện tử chúng và sau đó truyền dẫn
tín hiệu tái sinh vào khoảng truyền dẫn tiếp theo.
EDFA là bộ khuếch đại quang, nó thực hiện khuếch đại hoàn toàn tín hiệu sóng
ánh sáng trong miền quang học. Các bộ khuếch đại EDFA có thể được sử dụng với
nhiều chức năng trong hệ thống truyền dẫn quang như: bộ khuếch đại công suất để
tăng công suất đường truyền, bộ lặp hoặc bộ khuếch đại nội đường để tăng khả năng
hoạt động của hệ thống, hoặc bộ tiền khuếch đại để nâng cao độ nhạy thu. Tác dụng
lớn nhất của các bộ EDFA là chúng làm việc với vai trò là bộ lặp, chúng sẽ thực hiện

tái sinh quang điện thông thường để bù đắp cho những tổn thất khi truyền tải và mở
rộng khoảng giữa các đầu cuối số.Được sử dụng như một bộ lặp, các bộ khuếch đại
quang cung cấp khả năng chuyển đổi những đường dây truyền tải quang vào một
đường ống dẫn quang trong suốt để hỗ trợ tín hiệu độc lập cho định dạng điều chế
hoặc tốc độ dữ liệu kênh của các bộ khuếch đại. Ngoài ra, các bộ khuếch đại quang hỗ
trợ việc sử dụng các bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), theo đó các tín
hiệu của các bước sóng khác nhau được kết hợp và truyền trên cùng một cáp truyền
dẫn.
Với các ứng dụng quan trọng, EDFA đã được phát triển ở các hệ thống đường
dài, truyền tải trên mặt đất và các hệ thống truyền dẫn dưới biển. Liên hợp hệ thống
dưới biển AT&T đã quyết định phát triển các bộ lặp dựa trên EDFA từ đầu những năm
1990 (chứ không phải bộ tái sinh quang điện thông thường) cho cáp ngầm dưới biển
trong tương lai và bắt đầu phát triển thương mại đầu tiên với dung lượng cao ở hệ
thống truyền thông được khuếch đại quang học. Hệ thống dưới biển đầu tiên đã được
AT&T phát triển vào năm 1994, kết nối Florida đến St Thomas ở vùng biển Caribe.
Hệ thống khuếch đại quang sợi vượt đại dương đầu tiên được lắp đặt để vượt qua Đại
Tây Dương vào năm 1995 (được xây dựng bởi AT&T và Alcatel), và vượt qua Thái
Bình Dương vào năm 1996 ( được xây dựng bởi AT&T và KDD). Hệ thống khuếch
đại quang mặt đất với DWDM lần đầu tiên được triển khai trong mạng đường dài của
Lã Hà Thu – D08VT4 25