nghiên cứu, thiết kế tuyến thông tin cáp quang vinh - đà nẵng

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển chung của nhân loại thì trong lĩnh vực thông tin cũng
có những bước phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu của cuộc sống ngày
nay . Các hệ thống thông tin truyền thống như thông tin vô tuyến , thông tin hữu
tuyến ngày càng có những biến đổi cả về chất lẫn lượng . Nhu cầu thực tế yêu
cầu các hệ thống truyền dẫn thông tin phải có dung lượng lớn , tốc độ truyền tin
rất cao mà các hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến không đáp ứng được .
Một trong những bước phát triển mang tính nhảy bậc trong lĩnh vực thông tin là
việc sử dụng ánh sáng , sóng điện từ vùng bước sóng rất nhỏ ( μm ) – vùng ánh
sáng nhìn thấy và hồng ngoại để truyền tải thông tin , từ đó công nghệ thông tin
quang ra đời . Các hệ thống thông tin quang được nghiên cứu , phát triển và
ngày càng đựơc ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn .
Trong hệ thống thông tin quang tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng
, môi trường truyền dẫn là sợi quang . Cáp quang ngày càng được nhiều nước sử
dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình , nó là một phương tiện
truyền dẫn tốt trong thời bình cũng như trong thời chiến . Nó đóng vai trò đa
năng trong truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thông chất lượng cao , đồng bộ và hiện
đại như truyền số liệu , phục vụ hội nghị truyền hình , truy cập dữ liệu từ xa ,
truyền dẫn các tập thông tin đa phương tiện …Cáp quang sẽ dần thay thế các
dây dẫn kim loại cồng kềnh và tổn kém bằng nhiều phương pháp : chôn dưới đất
, treo và mắc theo cột điện … nó sẽ được triển khai đến từng người sử dụng ,
giúp cho việc liên kết mọi người với nhau . Cùng với sự phát triển của khoa học
và công nghệ , chất lượng truyền dẫn củ các hệ thống thông tin ngày càng được
nâng lên theo hướng tăng tốc độ truyền dẫn B , cự ly truyền dẫn L , tăng độ tin
cậy ( giảm tỷ số lỗi bit BER) , giảm chi phí dịch vụ và giá thành đầu tư ban đầu .
Ở Việt Nam ta trong những năm qua Tổng cục Bưu điện đã thực hiện chủ
trương cáp quang hoá mạng lưới thông tin quốc gia và các mạng thông tin nội
1
hạt .Nhiều hệ thống thông tin cáp quang đang được xây dựng và khia thác có
hiệu quả phục vụ cho mục đích quân sự nói riêng và góp phần vào phát triển
kinh tế nói chung . Nhu cầu tìm hiểu , phát triển và ứng dụng hệ thống thông tin

quang ở nước ta ngày càng lớn . Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : “ Nghiên cứu,
thiết kế tuyến thông tin cáp quang Vinh – Đà Nẵng” làm đồ án tốt nghiệp .
Tôi chọn phương pháp thực hiện đề tài là nghiên cứu lý thuyết , tổng hợp các
kiến thức liên quan , trên cơ sở đó thiết kế một tuyến thông tin cáp quang , thực
tế là tuyến Vinh – Đà Nẵng . Đây là một tuyến quan trọng trong trục thông tin
dọc miền Trung của đất nước . Ngoài phần mở đầu và kết luận , đồ án gồm hai
chương :
- Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang .
- Chương II : Thiết kế , thi công , kiểm tra tuyến thông tin cáp quang đã
được thiết kế .

2
CH¬ng 1:tæng quan vÒ hÖ thèng tin quang
1.1 . Sơ lược về lịch sử phát triển của thông tin quang .
1.1.1.Lịch sử phát triển của thông tin quang .
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con
người qua đôi mắt về sự vật hiện tượng . Từ xa xưa , con người đã biết dùng lửa
khói để truyền thông tin như đèn hiệu , đèn hải đăng … Năm 1971 , V.C .
Chappe phát minh ra máy điện báo quang sử dụng khí quyển làm môi trường
truyền dẫn , cũng như các phương tiện thông tin trước nó phụ thuộc rất lớn vào
điều kiện thời tiết , khoảng cách truyền dẫn không lớn , tốc độ thấp ( < 1 bit./s ) .
Năm 1880 , A.G.Bell phát minh ra máy điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị
quang thoại có khae năng biến đổi từ tín hiệu âm thanh thành tín hiệu ánh sáng .
Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát triển tiếp của thông tin
quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến
.
Nửa sau thế kỷ 20 , thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của
Laze ( 1958 ) , việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi
quang đã tạo bước đột phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin
quang vào cuộc sống .

Trong vòng 20 năm ( 1974 ÷ 1992 ) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc
- Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triển khai vào năm 1978 , làm
việc ở bước sóng 0,85 µm , tốc độ truyền tin vào khoảng 50 ÷ 100 Mb/s ,
khoảng lặp đạt 10 Km , tổn hao sợi quang α
s
= 20 dB/s .
- Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu những năm
1980 , bước sóng làm việc 1,3 µm , khoảng lặp 20 Km , tốc độ truyên tin
mới đạt 100 Mb/s do hiệu ứng tán sắc trên sợi quang đa mode . Điểm hạn
chế trên đã được khắc phục nhờ sử dụng sợi quang đơn mode . Năm 1987
thế hệ thông tin quang 1,3 µm thứ hai có tốc độ 1,7 Gb/s , khoảng lặp 50
3
Km đã được đưa vào sử dụng . Khoảng lặp của thế hệ này bị giới hạn bởi
tổn hao sợi quang tại bước sóng 1,3 µm ( α
s
= 0,5 dB/Km) .
- Năm 1990 thế hệ thông tin thứ ba của thông tin quang được đưa vào khai
thác , bước sóng công tác là 1,55 µm , α
s
= 0,2 dB/Km , tốc độ truyền tin
2,4 Gb/s và khoảng lặp đạt 100 Km
- Thế hệ thứ tư của thông tin quang liên quan tới việc tăng tốc độ truyền tin
nhờ ghép kênh theo tần số và tăng khoảng lặp nhờ dùng các bộ khuếch đại
quang . Năm 1990 các bộ khuếch đại quang xuất hiện , bắt đầu một cuộc
cách mạng trong lĩnh vực thông tin quang . Hệ thống thông tin quang kết
hợp ( Coherent ) ra đời và phát triển . Trong phòng thí nghiệm , người ta đã
thành công khi truyền tin ở tốc độ 2,4 Gb/s xa hơn 21.000 Km và truyền tin
ở tốc độ 5 Gb/s xa hơn 14.300 Km .
- Thế hệ thứ năm của thông tin quang đã đang trong giai đoạn nghiên cứu và
hoàn thiện trong phòng thí nghiệm dựa trên việc duy trì hình dạng xung

quanh trong quá trình truyền trong sợi quang không tổn hao nhờ hiệu ứng
tán sắc bằng sợi quang phi tuyến . Năm 1988 người ta đã chứng minh được
tính khả thi của đường truyền số liệu vượt 4.000 Km bằng cách bù tốn hao
sợi quang nhờ tán xạ kích thích Raman . Một số hệ thống truyền dẫn thí
nghiệm đã vượt khoảng cách 1.000 Km với tốc độ truyền tin 10 Gb/s và
vượt khoảng cách 350 Km với tốc độ 20 Gb/s .
1.1.2.Xu hướng phát triển của thông tin quang trong tương lai.
Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể , kỹ thuật thông tin quang vẫn
phát triển với tốc độ nhanh theo hướng hoàn thiện kỹ thuật truyền dẫn , chuyển
mạch , xử lý tín hiệu quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và tăng khoảng
lặp . Các xu hướng phát triển của thông tin quang trong thời gian tới có thể là :
- Sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM khi nhu cầu
truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có .
4
- Phát triển sợi quang bằng vật liệu mới như sợi Flor thay cho vật liệu truyền
thống Silic , Suy hao của loại sợi này rất thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly
trạm lặp có thể đạt hàng ngàn Km .
- Phát triển vi mạch quang tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC .
Phương pháp này kết hợp xử lý tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng
một chip từ đó tăng khả năng và tốc độ xử lý tín hiệu .
- Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp ,
các trạm lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đổi tín hiệu quang sang
tín hiệu điện rồi khuếch đại , phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đổi sang
tín hiệu quang truyền đi . Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối
tiền khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối
khuếch đại máy phát .
- Cải tiến các linh kiện thu , phát quang . Linh kiện phát được phát triển theo
hướng : tăng công suất phát , giảm độ rộng phổ , tăng giải thông điều chế ,
giảm dòng ngưỡng và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ . Linh kiện thu phát
triển theo hướng : tăng độ nhạy , tăng dải thông , giảm dòng tối , giảm ảnh

hưởng của điện áp phân cực (đối với diode quang thác ADP ) .
1.2.Hệ thống thông tin quang .
1.2.1. Mô hình hệ thống thông tin quang .










 








Hình 1.1. Mô hình hệ thống thông tin quang .
Tín hiệu cần truyền từ điện thoại , các thiết bị đầu cuối , fax , máy tính …được
qua bộ xử lý tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi điện quang ( E/O) , các tín
hiệu điện “ 1” và “0” (tín hiệu số ) được biến đổi thành tín hiệu quang “có” và
“không” qua sợi quang (FO) để truyền tới đầu kia của hệ thống .Các tín hiệu
5
xung truyền trong sợi quang bị suy giảm về công suất , bị giãn về độ rộng xung (
méo dạng ) . Tại bộ biến đổi quang điện ở đầu kia của hệ thống thì các tín hiệu

quang được biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng ,khôi phục nguyên dạng tín
hiệu đã gửi đi rồi qua bộ xử lý tín hiệu điện đi tới các thiết bị đầu cuối . Các bộ
biến đổi điện - quang có thể là diot phát quang LED , diode laze LD ,các bộ
biến đổi quang - điện có thể là điode thu quang PIN , điode quang thác ADP.
Khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì cần thiết phải có thêm các trạm lặp
đường dây .Tại đây nó biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi qua bộ
khuếch đại , sửa dạng và cuối cùng lại biến đổi trở lại tín hiệu quang để tiếp tục
truyền trong sợi quang tới phía thu .
Các hệ thống thông tin quang rất đa dạng . Dựa vào dạng tín hiệu truyền
chúng chia thành hệ thống thông tin quang sọi và tương tự . Dựa theo dạng tách
sóng quang chúng chia thành hệ thống thông tin quang tách sóng trực tiếp và
tách sóng đồng bộ . Dựa trên cấu trúc mạng chia thành ba loại : mạng điểm nối
điểm , mạng hình sao , mạng phân bố . Hệ thống quang sợi rất thích hợp với
việc truyền dẫn tín hiệu số nên hầu hết các hướng phát triển của hệ thống quang
sợi đều tập trung theo hướng này . Ở phần này ta tìm hiểu về hai hệ thống quang
sợi phổ biến hiện nay là :hệ thống quang sợi số điều chế cường độ , tách sóng
trực tiếp (IM/MD) và hệ thống quang sợi số tách sóng đồng bộ (COHERENT).
1.2.2.Hệ thống thông tin quang IM/MD
a. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống IM/MD.
Hệ thống thông tin quang IM/MD sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ IM
(inténity) ở máy phát và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detection ) ở máy thu .
Đây là hệ thống thông tin quang có kỹ thuật không quá phức tạp , giá thành rẻ
nên được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta .
6
!!
"
#
"
$%
"&


!'(
"&
)*

+,

/0
1
&2
'3
4!


"&
)*

"#-
56
+76
)*

4!
6

&
&
.

+76

)*

Hình 1.2.Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin quang IM/DD
Hệ thống IM/MD gồm bốn phần lớn : thiết bị đầu cuối phát quang, thiết bị đầu
cuối thu quang , sợi quang và trạm lặp .
b. Thiết bị đầu cuối phát quang .
Có nhiệm vụ nhận tín hiệu vào dạng điện và biến đổi thành tín hiệu ra tương
ứng dạng quang truyền vào sợi quang .
- Bộ ghép kênh điện ( MUX ) : thực hiện ghép kênh tín hiệu số dạng điện
kiểu điều chế xung mã PCM các cấp khác nhau theo cấp số của C.ÂU , Bắc
Mỹ hay Nhật Bản thành luồng dữ liệu đi vào bộ mã hoá .
- Bộ mã hoá (CODES) : biến đổi mã tín hiệu ra bộ kênh thành mã đường
truyền phù hợp với môi trường truyền dẫn là sợi quang và thuận tiện cho
việc khôi phục đồng hồ , giám sát ,nâng cao khả năng phát hiện ,sửa chữa
lỗi của hệ thống .
- Bộ kích thích : tạo tín hiệu dòng điện đủ lớn để điều chế cường độ (công
suất ) máy phát quang .
- Nguồn phát quang (E/O) :biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang .
- Bộ ghép kênh quang : thực hiện ghép nhiều luồng tín hiệu quang từ các
nguồn quang khác nhau để cùng truyền trên một sợi quang . Với hệ thống
7
thông tin đơn kênh thì không có bộ ghép kênh quang còn hệ thống thông
tin quang đa kênh thì bắt buộc phải có bộ ghép kênh quang .
c. Thiết bị đầu cuối thu quang .
Có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu quang từ sợi quang rồi biến đổi thành tín hiệu
điện đầu ra tương ứng .
- Bộ tách kênh quang :làm nhiệm vụ tách các kênh quang từ nguồn tín hiệu
đa kênh quang tới các nguồn thu quang tương ứng . Trong hệ thống thông
tin đơn kênh thì không có bộ tách kênh quang .
- Nguồn thu quang (O/E):thực hiện biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu

điện . Ở đây việc tách sóng quang được thực hiện trực tiếp nhờ các
photodiode .
- Khuếch đại cân bằng : khuếch đại tín hiệu sau tách sóng quang sau đó san
bằng và lọc nhằm nâng cao tỷ tín/tạp ở mạch phục hồi .
- Mạch phục hồi :gồm mạch quyết định và mạch đồng hồ , có nhiệm vụ tái
tạo xung tín hiệu và định thời xung đồng bộ hồ .
- Bộ giải mã (DECODES) : biến đổi tín hiệu từ dạng mã đường truyền về
dạng mã thích hợp đưa tới bộ tách kênh điện
- Bộ tách kênh điện (DEMUX) : tách tín hiệu số cấp cao đưa đến thành tín
hiệu số cấp thấp tới các thiết bị đầu ra tương ứng .
d.Trạm lặp .
Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đủ lớn để bù trừ với sự suy hao trên sợi
quang trong tuyến .Trạm lặp có hai dạng sau :
'8
8
90:


9(

90:


$%
);
6<&
H ình 1.3.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp
8
- Hình 1.3 .a là dạng trạm lặp điện quang (trạm lặp gián tiếp ) đang được sử
dụng rộng rãi .Khối biến quang điện (O/E) và khối biến đổi điện quang (E/O)

ở đầu vào và đầu ra trạm lặp thực hiện nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang
thành tín hiệu điện và ngược lại . Khối khuếch đại và khôi phục sẽ khuếch
đại tín hiệu do sự suy giảm trên đường truyền , sửa dạng tín hiệu bị méo ,
khôi phục xung đồng hồ và tái sinh tín hiệu để đưa vào khối điều chế bộ biến
đổi điện quang .
- Hình 1.3.b là dạng trạm lặp dùng bộ khuyếch đại quang (trạm lặp trực
tiếp ), tín hiệu quang bị suy giảm trên đường truyền được khuếch đại trực
tiếp đủ để bù với lượng suy giảm . Mô hình trạm lặp này được dùng nhiều
trong các tuyến thông tin quang xuyên đại dương .
1.2.3. Hệ thống thông tin quang COHERENT
a.Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin quang COHERENT
=>?
&0
9(@
9(#(


"&A
0&

BC
=>?(
+,@
&0
@&D
62&E&
BFGFG

=H&
"#

C&

Hình 1.4.Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin Coherent .
Do những tiến bộ của kỹ thuật và công nghệ nên đã ra đời hệ thống thông tin
quang kết hợp Coherent (1980) và được nghiên cứu , ứng dụng thử nghiệm vào
đầu thập kỷ 90. Trong hệ thống quang kết hợp sự đổi tần số sóng mang được sử
dụng ở máy thu quang bằng cách trộn trường quang tín hiệu với trường quang
laze nội và cộng tuyến tính ở đầu ra bộ trộn ( tương tự như kỹ thuật thu vô
9
tuyến đổi tần ) . Hệ thống Coherent có những điểm ưu việt hơn hệ thống
IM/MD là:
+ Độ nhạy của máy thu quang cải thiện hơn 20 dB so với máy thu IM/MD (tách
sóng trực tiếp ) , từ đó có thể tăng cự ly truyền dẫn (trạm lặp ) lên nhiều khi
cùng công suất phát .
+ Có thể sử dụng hiệu quả độ rộng băng tần của sợi quang nhờ kỹ thuật ghép
kênh quang theo bước sóng (WDM).
b.Máy phát quang.
Gồm Laze và bộ điều chế ngoài , ở đây sử dụng các laze đơn mode có
đường phổ hẹp (thường dùng loại DFB hoặc laze có hộp cộng hưởng ngoài , độ
rộng phổ cỡ 10 – 100 MHz ). Bộ điều chế ngoài dùng để điều chế trường quang
do laze nguồn phát ra với dạng điều chế mong muốn nhứAK (điều
biên ),PSK(điều pha ),DPSK(điều pha tương đối ).Các bộ điều chế ngoài thường
dùng như giao thoa kế Mac-zender , bộ điều chế hấp thụ EA .Riêng điều chế
dạng FSKđược tiến hành trực tiếp bởi dòng phun của laze .Cùng đi với bộ điều
chế là các tín hiệu mang thông tin cần gửi đã được mã hoá (PCM). để giảm sự
phản xạ ánh sáng từ sợi quang về lại máy phát thì ần có bộ cách ly quang giữa
máy phát uang và sợi quang . Bộ cách ly quang chỉ cho pháp ánh sáng truyền
theo chiều từ từ nguồn vào sợi quang còn hấp thụ ánh sáng theo chiều ngược
lại .
c.Máy thu quang

Máy thu quang ở đây phức tạp hơn nhiều so với ở trong hệ thống IM/DD
,gồm :bộ trộn quang , bộ tách quang , laze dao động nội bộ khuếch đại , bộ lọc
dải , bộ tự động điều chỉnh tần số laze dao động nội , bộ giải điều chế .
Bộ trộn quang là phần tử đặc trưng nhất của máy thu quang kết hợp .Nó cho
phép hai trường quang tín hiệu từ sợi quang và từ laze dao động nội trộn với
nhau và cộng tuyến tính ở đầu ra bộ trộn . Bộ trộn quang có thể là một gương
bán phản xạ hoặc một bộ ghép sợi nóng chảy . Yêu cầu cho hai trường quang
vào bộ trộn là phải cùng hướng vì trạng thái phân cực của trường quang tín hiệu
10
truyền trong sợi quang bị thay đổi nên ta cần phải dùng các phương pháp đặc
biệt để giảm sự mất phối hợp phân cực giữa hai trường quang tín hiệu và laze
dao động nội .
Bộ tách sóng quang dùng photodiode (PIN hoặc ADP) sẽ tách sóng tín hiệu
sau bộ trộn về dòng quang điện trung tần và đưa qua bộ khuyếch đại , bộ loc để
hạn chế về độ rộng của băng tần nhiễu , sau đó tín hiệu qua bộ giải điều chế để
đưa về dạng tương ứng với máy phát , cho ra những tín hiệu được phát đi .
Bộ điều chỉnh tần số của laze dao động nội sẽ luôn tự ổn định tần số trung tần
của máy thu ở một giá trị mong muốn , tí hiệu đi qua từ AFC sẽ qua mạch thích
hợp để điều chỉnh tần số tín hiệu của laze nội trước khi tới bộ trộn cùng tín hiệu
truyền đi trong sợi quang .
1.2.4. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang .
a. Ưu điểm :
Hệ thống thông tin quang có những đặc điểm nổi bật sau :
- Hệ thống thông tin quang sợi trong thực tế rất kinh tế , độ tin cậy cao .
- Khoảng cách trạm lặp có thể lên tới hàng trăm Km ,số lưọng trạm lặp so
với dùng cáp kim loại giảm đáng kể , một vài tuyến ngắn có thể liên lạc
trực tiếp .
- Truyền dẫn ghép kênh với dung lượng lớn ,cho phép thực hiện các yêu
cầu đa dạng của mạng đa dịch vụ số băng rộng B-ISDN khiến giá thành
dịch vụ thấp .

- Cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau trên cùng
một sợi quang (ghép kênh theo bước sóng WDM ) . Đặc tính này cộng với
khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng
truyền dẫn của tuyến là rất lớn .
- Sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện trường bên ngoài và các tác
động của môi trường nên chất lượng thông tin cao .
- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng , thông tin được bảo mật và có thể đi chung đường
cáp với các đường truyền kim loại trước đó .
11
- Đảm bảo mỹ quan đô thị
b.Nhược điểm :
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang sợi có tồn tại một số nhược điểm sau :
- Hàn nối sợi quang khó khăn , kỹ thuật cao .
- Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần thêm đặt thêm dây kim loại
( cu, fe, …)vào trong cáp quang .
- Nếu có nước , khí ẩm lọt vào trong cáp thì sơi quang sẽ chóng bị lão hoá ,
các mối hàn chóng hỏng , lượng suy hao tăng .
- Sợi quang có khích thước nhỏ nên hiệu suất ghép nguồn quang với sợi
quang thấp .
- Không truyền được mã lưỡng cực .
Những những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải
được bằng các tiến bộ của công nghệ . Nhờ những ưu điểm vượt trội trên mà
hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có một tương
lai phát triển tốt đẹp vì những lợi ích của nó trong cuộc sống .
1.3.Cấu hình hệ thống thông tin quang .
Ta có cấu hình hệ thống thông tin quang như hình vẽ sau đây :











 








Hình 1.5. Mô hình hệ thống thông tin quang .
Từ đây chúng ta đi tìm hiểu về hoạt động của các khối chức năng trong hệ thống
.
1.3.1.Thiết bị ghép kênh .
Thiết bị ghép kênh sử dụng trong hệ thống thông tin quang hiện nay là thiết
bị ghép kênh số . tín hiệu điện được biến đổi thành tín hiệu điều chế xung mã
PCM và ghép kênh theo nguyên tắc phân thời gian (TDM) .Các tiêu chuẩn PCM
được sử dụng rộng rãi hiện nay là :
12
- Tiêu chuẩn châu Âu (CFPT): Lượng tử hoá theo luật A , tốc độ luồng tín
hiệu số cơ bản là 2,048 Mb/s , gồm 30 kênh thoại tiêu chuẩn , mỗi kênh có tốc
độ 64 Kb/s .
- Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản : Lượng tử hoá theo luật µ , tốc độ luồn
tín hiệu cơ bản là 1,544 Mb/s , gồm 24 kênh thoại tiêu chuẩn , mỗi kênh có tốc
độ 64 Kb/s .

Thứ bậc ghép kênh của các tiêu chuẩn được trình bày ở bảng 1.1 dưới đây :
Tiêu chuẩn Đặc trưng Cấp bậc
Cấp 1 cấp 2 Cấp 3 Cấp 4 Cấp 5
Châu Âu Tốc độ (Mb/s)
Hệ số nhân
Số kênh thoại
2,408
-
30
8,488
4
120
34,368
4
480
139,264
4
1920
564,992
4
7680
Bắc Mỹ Tốc độ (Mb/s)
Hệ số nhân
Số kênh thoại
1,544
-
24
6,312
4
96

44,736
7
672
274,176
6
4032
565
2
8064
Nhật Bản Tốc độ (Mb/s)
Hệ số nhân
Số kênh thoại
1,544
-
24
6,312
4
96
32,064
5
480
97,728
3
1440
397,2
4
5760
Bảng 1.1. Các chỉ tiêu ghép kênh PCM thông dụng .
Các hệ thống truyền dẫn số ở Việt Nam xây dựng theo tiêu chuẩn ghép kênh
của Châu Âu . một kênh thoại cơ bản có phổ giới hạn từ 0,3 – 3,4 KHz , được

chuyển thành dạng số có tốc độ 64 Kb/s tương đương với 1 kênh thoại . Một
kênh truyền hình màu chất lượng tiêu chuẩn được truyền ở tốc độ 140 Mb/s
tương đương 1920 kênh thoại .
1.3.2.Thiết bị đầu cuối .
Thiết bị đầu cuối OLTE giao tiếp với thiết bị ghép kênh và sợi quang . Sơ đồ
khối của OLTE được mô tả như hình 1.6. dưới đây :
13
I
:
4J*
9K
CL
.
CL
&&
LMNL
4!

+-A
"
16
L+4
G<&!
46$<
0&
BG 
"
"&
:
CL

+,
CL
*
B+C
K9
+,J
&;AO
@&D
16
BGC
Hình 1.6. Sơ đồ khối chức năng thiết bị đầu cuối ( OLTE )
Chức năng chính của các khối là :
• Hướng phát : tiếp nhận tín hiệu điện từ thiết bị ghép kênh , biến đổi tín
hiệu điện sang dạng mã thích hợp với đường truyền quang , kích thích
(điều chế ) nguồn quang phát ra tín hệu quang tương ứng .
- Khối sửa dạng : tín hiệu xung từ thiết bị ghép kênh đưa tới được khuyếch
đại san bằng và sửa dạng tại đây .
- Khối đổi mã (B/U: BIPOLAR / UNIPOLAR ) : mã truyền dẫn của tín
hiệu điện thường là mã lưỡng cực (B) có ba trạng thái ( + V , 0 , - V )
không phù hợp với đường truyền dẫn quang do chỉ truyền hai trạng thái
( sáng , tối ) . Do đó tín hiệu điện sẽ được đổi sang mã đơn cực ( U ) tại
đây . Mã lưỡng cực thường dùng là HDB3 , CMI , mã đơn cực thường
dùng là mã khối mBnB dạng NRZ hoặc RZ .
- Khối ngẫu nhiên hoá ( SCR : Scramber ) : trộn chuỗi xung một cách ngẫu
nhiên theo một quy tắc nhất định để tránh sự lặp đi lặp lại một chuỗi dài
các bit giống nhau . Công việc này giúp cho việc phân bố phổ tín hiệu cần
truyền được đồng đều hơn .
14
- Khối mã hoá ( Coder ): tại đây , thêm một lần nữa chuỗi xung được đổi
sang dạng mã thích hợp với đường truyền dẫn quang . Loại mã này có tác

dụng laọi trừ sự xuất hiện các nhóm bit chưa nhiều bit “ 1 “ và bit “ 0 “
liên tiếp , đồng thời còn ghép thêm một số nhóm bit phát hiện lỗi . Loại
mã như thế này thường được sử dụng là mã 5B6B .
- Khối kích thích ( Driver ) : tổng hợp dòng điện phân cực và chuỗi xung
tín hiệu để kích thích nguồn quang phát ra ánh sáng tương ứng .
- Nguồn quang ( E/O ) : là nơi phát ra ánh sáng theo tín hiệu từ khối kích
thích đưa tới . Linh kiện phát quang có thể là LED hoặc LD .
- Khối điều khiển công suất ( APC ) : tự động điều chỉnh ánh sáng phát ra
có công suất ổn định .
• Hướng thu : tiếp nhận tín hiệu quang rồi biến đổi thành tín hiệu điện , sau
khi được khuếch đại , phục hồi thì tín hiệu điện được giải mã sang dạng mã
thích hợp với thiết bị ghép kênh .
- Thu quang ( O/E ) : biến đổi tín hiệu quang tiếp nhận về thành tín hiệu
điện tương ứng nhờ các diode thu quang PIN hoặc ADP .
- Khối khuếch đại ( AMP ): khuyếch đại tín hiệu đến từ tuyến thu quang .
- Khối AGC : tự động điều chỉnh độ khuyếch đại của khối khuếch đại nhằm
giữ cho mức tín hiệu ra luôn ổn định .
- Khối phục hồi ( Gegenerator ) : khôi phục lại dạng xung tín hiệu bị méo
dạng do suy hao , tán sắc trong sợi quang và tách xung đồng hồ để đồng
bộ cho các khối .
- Khối giải mã (Decoder ) : chuyển mã 6B trở lại dạng mã 5B theo quy tắc
mã hoá ở đầu phát . Đồng thời khối này làm nhiệm vụ phát hiện lỗi , đếm
lỗi để chỉ thị cảnh báo tới khối giám sát .
- Khối giải ngẫu nhiên hoá ( Descrambler ) : trộn tín hiệu theo quy tắc
ngược lại của quá trình ngẫu nhiên hoá ở phía đầu phát .
- Khối đổi mã ( U/B : Unipolar/Bipolar ) : đổi mã đơn cực (U) về mã lưỡng
cực (B) để truyền tới thiết bị ghép kênh .
15
1.3.3.Thiết bị ghép/ tách quang
+76

)*

n
λλλλ
++++

321
1
λ
2
λ
n
λ
1
λ

)*
+76
+
n
λλλλ
+++

321
λ
2
λ
n
Hình 1.7. Chức năng của thiết bị ghép tách kênh quang .
Trong hệ thống thông tin quang đa kênh thì người ta dùng các thiết bị ghép

/tách kênh theo bước sóng (WDM ) .Nó đảm bảo các chức năng sau :
- Ghép nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau để đưa vào một sợi quang .
- Tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong sợi quang thành từng tín
hiệu riêng biệt ứng với mỗi bước sóng đầu vào
- Để thực hiện ciệc ghép / tách kênh quang , người ta sử dụng lăng kính ,
các bộ lọc thông quang , cách tử nhiễu xạ như được đưa ra ở bảng 1.2
dưới đây .
Trong các phương pháp trên thì : phương pháp lăng kính có cấu trúc đơn giản
, tách ra các tia sáng ngay cả khi ánh sáng là một dải có bước sóng rộng ,
nhưng nó có giá thành cao nên ít được sử dụng . Phương pháp lọc phim giao
thoa có hệ số truyền dẫn từ 0 ÷ 90% phụ thuộc vào bước sóng , nó dùng để
tách các tia truyền hoặc tia phản xạ , phương pháp này thì ghép kênh ít , cấu
trúc đơng giản , suy hao thấp nên thường được sử dụng . Còn phương pháp
cách tử nhiễu xạ thì tia sáng khi đập vào sẽ phản xạ ra các góc khác nhau tuỳ
theo bước sóng . Nó có đặc điểm nhỏ gọn , suy hao nhỏ , tách số kênh lớn
nên được sử dụng rộng rãi nhất trong 3 phương pháp
16
=P)
Q
"O)
Q
,
1
λ
λ
2
λ
3
,
λ

1
2
λ
λ
3
3
λ
λ
2
1
λ
,,
3
λ
2
λ
λ
1
,
Q
"O)
Q
C&R
GST66GST66
=P)
=H&6-
C&R
Q
"O)#U
=H&6-

,
3
λ
2
λ
λ
1
,
1
λ λ
2
3
λ
Bảng 1.2.Các phương pháp ghép tách quang thông dụng .
1.3.4.Thiết bị lặp đường dây .
Thiết bị lặp đường dây giao tiếp với sợi quang ở cả hai phía , đây là điểm
khác so với thiết bị đầu cuối . Thiết bị lặp làm nhiệm vụ chuyển tiếp trung gian
khi khoảng cách truyền dẫn từ đầu phát tới đầu thu vượt quá khả năng của sợi
quang ( do đặc tính suy hao và tán sắc của sợi quang ) . Trong thiết bị lặp không
có các khối đổi mã , mã hoá và các bộ giải mã vì dạng mã trên đường truyền
được giữ nguyên .Chức năng các khối trong hình 1.8 tương tự như ở thiết bị đầu
cuối .
17

90:
@&D

AI
$%
$%

/01
);6<&
&&
90:

;6<&
16
@&D
&;AO
+-A
46$<
Hình 1.8.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp đường dây .
1.4.Linh kiện thu, phát quang , sợi quang và cáp quang
1.4.1.Linh kiện phát quang .
a. Nguyên lý làm việc của Laze bán dẫn .
Sự bức xạ và hấp thụ photon trong bán dẫn gắn liền với sự chuyển tiếp của các
điện từ một mức năng lượng sang một mức năng lượng khác . Những đặc điểm
của các quá trình xảy ra trong máy lượng quang phụ thuộc vào các hệ thống mức
năng lượng của hoạt chất trong bán dẫn .
Các bán dẫn có 3 vùng năng lượng : Vùng hoá trị , vùng cấm và vùng dẫn .
Ứng với từng vùng ấy có các giới hạn .
W
d
- Giới hạn vùng dẫn , cao hơn nó thì các điện tử có thể lọt vào
W
h
- Trần vùng hoá trị .
Khoảng cách giữa W
d
– W

h
là vùng cấm .
Ở trạng thái cân bằng nhiệt của bán dẫn thì ở vùng hoá trị có các điện tử , còn ở
vùng dẫn có các lỗ trống điện tử .
18
∆
V

I
V
V
NW#1
NW&O-
NWIJ
Hình 1.9.Các vùng năng lượng trong bán dẫn .
Người ta dùng hàm số Phermi để đặc trưng cho xác suất các điện tử có thể đạt
được mức năng lượng W .
F
n
(WT) =
1)exp(
1
+
−
KT
WW
F
Một đặc điểm của mức Phermi là trong một hệ thống có nhiều bán dẫn và mỗi
bán dẫn đều nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt thì mức Phermi như nhau .
Nồng độ các điện tử tự do và lỗ trống điện tử trong các bán dẫn nguyên chất rất

thấp . Chỉ có một phần các điện tử ở vùng hoá trị có năng lượng thoát khỏi các
mối liên kết và chuyển từ vùng này lên vùng dẫn . Chính vì vậy mà khi tái hợp
ngẫu nhiên ( quá trình các điện tử trở về vị trí cân bằng ở vùng hoá trị và kết hợp
cới các lỗ trống điện tử ở đấy ) chỉ tạo ra một bức xạ ngẫu nhiên không đáng kể .
Sự tái hợp trong chất bán dẫn có hai loại : tái hợp trực tiếp và tái hợp không trực
tiếp .
Trong các laze hiện nay chỉ có loại tái hợp trực tiếp .
Như vậy muốn có sự phát bức xạ thì phải phá vỡ được trạng thái cân bằng đã
nêu ở trên tức là phải tạo được mật độ điện tử ở vùng dẫn nhiều lên . Để làm
được điều đó có nhiều cách khác nhau : phun điện tử vào lớp chuyển tiếp p – n ,
kích chấn bằng đèn có năng lượng lớn kích chấn bằng quang học , kích chấn
trực tiếp bằng điện v.v…Phương pháp phổ biến nhất là phun diện tích .
Việc tạo ra laze cùng một lúc có sự suy biến điện tử và lỗ trống điện tử ( hiểu
một cách đơn giản là nồng độ của chúng có sự thay đổi ) trong bán dẫn nguyên
chất là rất khó . Việc này có thể thực hiện được bằng cách cho thêm tạp chất vào
19
tinh thể bán dẫn . Các nguyên tử tạp chất tạo ra tạo ra những múcnăng lượng
phụ trong vùng cấm . Các nguyên tử dễ nhường điện tử thì tạo ra các mức năng
lượng phụ ở cửa vùng dẫn W
d
, còn các nguyên tử dễ nhận điện tử thì tạo thành
các mức ở phía trên vùng hoá trị W
n
. Vì vậy có hai loại bán dẫn được tạo
thành : bán dẫn cho ( loại n ) và bán dẫn nhận (loại p) . Nếu tạp chất nhiều thì
chúng có thể tác động tương hỗ lẫn nhau và mức của chúng được kéo lên vùng
dẫn và xuống vùng cấm . Lúc này các điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống điện tử ở
vùng hoá tự nhiên đến mức chất bán dẫn trở thành suy biến .
X
Y

V
Z
I
V
V

NW NW6
I
V
V

[
V
Hình 1.10.Sơ đồ năng lượng lớp chuyển tiếp p-n trước lúc gắn các bán dẫn p và
n với nhau .
Nếu gắn hai bán dẫn loại p và n với nhau thì ở chỗ gắn sẽ thoả mãn điều kiện :
M
2
– M
1
> ∆E = W
c
Một phần điện tử ở vùng n chuyển sang vùng p và ngược lại thì lỗ trống điện tử
từ vùng p chuyển sang vùng n , do đó xảy ra quá trình tái hợp và phát lương từ .
Lượng từ này được khuyếch đại cho đến khi điều kiện M
2
– M
1
> ∆E bị phá vỡ
và suy biến ở vùng chuyển tiếp bị chấm dứt , tức là sự đảo mật độ ở đó cũng bị

chấm dứt . Lúc đó có sự phân bố lại theo các mức năng lượng và trạng thái cân
bằng được khôi phục , mức Phermi bị lệch . Để có thể tạo được sự đảo mật độ
như ban đầu ở lớp chuyển tiếp p-n tức là làm cho mức Phermi ở vùng p-n lại
tách ra một khoảng như trước , cần phải cho điện một điện áp V vào lớp chuyển
tiếp như hình đã trình bày .
20

V
V
I
&
V
I
V
V
I

V
Hình 1.11.Sơ đồ năng lượng lớp chuyển tiếp p-n sau khi đã khôi phục trạng thái
cân bằng
Bây giờ chúng ta xét tới cấu tạo và một vài tính chất của laze bán dẫn Gaas
Sơ đồ cấu tạo cuả laze bán dẫn Arxennit – galia ở hình 1.7 .Lớp chuyển tiếp 4
của bán dẫn p-n được tạo ra bằng cách làm khuyếch tán kèm vào tấm bán Gaas
loại n . Hai mặt của hai tấm đwocj đánh bóng và đặt một cách cẩn thận sao cho
song song với nhau và vuông góc với mặt phẳng chuyển tiếp p-n . Các cạnh phía
trước và phía sau đã được đánh bóng kỹ sẽ tạo thành các bề mặt phản xạ của hộp
cộng hưởng . Các mặt trên 2 và mặt dưới của bán dẫn sẽ nối với các điện cực 1,6
.
[
Z

\
]
^
_
`
Hình 1.12 .Cấu tạo của laze bán dẫn .
Trong các bán dẫn hệ số khuếch đại ánh sáng trên một đơn vị độ dài lớn hơn
trong các hoạt chất là chất rắn , chất khí và chất lỏng hàng ngàn lần .
21
Chính vì vậy mà độ dài quang học của quãng đường trong laze bán dẫn có thể
vào khoảng vài phần mười milimet , còn hệ số phản xạ của các gương là 0,3- 0,4
.
Các laze bán dẫn hiện đại có thể làm việc trong chế độ xung và cả trong chế độ
liên tục .
Mật độ dòng điện phun quyết định thành phần phổ của laze bán dẫn . Khi giá trị
của dòng điện ấy bé hơn giá trị ngưỡng nào đấy thì độ rộng của giải phổ sẽ vượt
quá 0,1 µk . Mật độ dòng điện phun còn quyết định sự phân bố bức xạ trong
không gian .
Độ dài và tần số phóng xung trong laze bán dẫn được quyết định bởi nhiệt độ
của lớp chuyển tiếp p-n là chủ yếu .
Vì kích thước lớp p-n rất bé nên sự khuếch tán rất lớn , chính vì vậy mà độ tán
xạ của tia bức xạ ở laze bán dẫn lớn hơn nhiều so với laze khí .
Laze bán dẫn có kích thước bé , hiệu suất cao ( gần 100%) . Điều đó cho phép
sử dụng rộng rãi laze bán dẫn vào các kết cấu đòi hỏi gọn nhỏ và chắc chắn .
b. Trường bức xạ của ánh sáng ra và hiệu suất ghép .
Bức xạ của trường quang được đặc trưng bởi sự phân bố trường xa , trường
gần và mật độ bức xạ . Nhưng người ta thường quan tâm đến công suất ánh sáng
có thể ghép vào sợi quang được xác định theo công suất bức xạ tổng cộng và
hiệu suât ghép . Công suất quang đối với LED từ 1÷3 mW , với LD từ 1÷10 mW
, các laọi LD đời mới hiện nay có công suất phát tới 50 mW.

- Giản đồ bức xạ : được xác định bởi góc lập giữa hai đường thẳng mà công
suất ánh sáng bằng một nửa so với mức cực đại . Giản đồ bức xạ của LED
là rất lớn hơn so với của LD , với LED phát xạ mặt khoảng 120
0
, phát xạ
rìa khoảng 30
0
, còn với LD khoảng 5
0÷
10
0
.
- Hiệu suất ghép : đặc trưng định lượng cho việc ghép ánh sáng từ nguồn
vào sợi , được xác định bởi tỷ số công suất ghép vào sợi quang trên công
suất bức xạ toàn phần của nguồn .
22
@&D
!$%
AQ

4! =aAQ

=b6$c
NW6
+d&6
+d&e
Hình 1.13. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất ghép quang .
Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang , giản đồ
bức xạ , góc nhận quang , vị trí đặt nguồn quang như mô tả ở hình 1.13. Hiệu
suất ghép của LD phát xạ mặt từ 1÷5% , của LED phát xạ rìa từ 5÷10% , của

LD từ 10÷30% với sợi đơn mode , và từ 60÷90% với sợi đa mode .
1.4.2.Linh kiện thu quang .
a.Cấu trúc , nguyên lý hoạt động của linh kiện thu quang .
Khi ánh sáng mang thông tin tới đầu thu cần có các thiết bị biến đổi tín
hiệu quang thành tín hiệu điện gọi là linh kiện thu quang . Có nhiều phương
pháp biến đổi quang - điện như biến đổi trực tiếp lượng tử ánh sáng thành tín
hiệu điện theo hiệu ứng quang nội và hiệu ứng quang ngoại . Hiện nay người
ta sử dụng hiệu ứng quang nội cho linh kiện thu quang bán dẫn .
Nguyên lý làm việc cơ bản như sau : Giả sử ta có một lớp chuyển tiếp p-n
được phân cực ngược bởi điện áp U
0
( “-“ đặt vào vùng p ) , khi này độ rộng
vùng nghèo tăng ( vùng ít điện tử và lỗ trống ) , điện trường nội của vùng
nghèo ngăn sự khuyếch tán của điện tử và lỗ trống đang chiếm đa số ở vùng
n và p đi qua vùng nghèo . Trong chuyển tiếp chỉ tồn tại một dòng điện
ngược rất nhỏ do sự dịch chuyển của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp p-n ,
dòng điện này là dòng tối I
d
.
Khi ánh sáng có năng lượng photon : W= h.γ > E
g
chiếu vào chuyển tiếp
( từ vùng p ) thì vùng p , vùng nghèo , vùng n các điện tử được hấp thụ ánh
sáng , điện tử từ vùng hoá trị sẽ dịch lên vùng dẫn , kết quả là tạo nên các cặp
điện tử - lỗ trống . Theo chiều điện trường thì các điện tử , lỗ trống chuyển
23
động qua vùng nghèo ,p,n, và tạo ra một dòng chay ngược gọi là dòng quang
điện . Dòng quang điện I
ph
trung bình tỷ lệ với công suất ánh sáng tới P

t
theo
biểu thức :
I
ph
= R P
t
(1.1)
Trong đó :
R=
γ
η
h
q.
(1.2)
- η là hiệu suất lượng tử .
Do diode quang p-n có hiệu suất cao , tốc độ không cao nên thực tế thông
tin quang sợi người ta dùng hai loại cải tiến là : photodiode PIN và diode
quang thác ADP . Diode PIN có điện áp ngược công tác thấp hơn diode
ADP , còn diode ADP có khả năng khuếch đại dòng quang điện nhờ hiện
tượng ion hoá do va chạm nên độ nhạy của nó tốt hơn của diode PIN .
b. Photodiode PIN
G M 4



X Y
L
,
Hình 1.14. Diode PIN và phân bố điện trường trong PIN .

Về cấu trúc , diode PIN được cấu tạo từ chất bán dẫn gồm ba vùng , ở
giữa vùng p và n có một vùng bán dẫn tinh khiết gọi là vùng I (Intrinsic ).
Cấu trúc của PIN dải 1,3÷ 1,5 µm với các lớp bán dẫn , thiên áp ngược đặt
vào PIN , R
tải
và phân bố điện trường bên trong diode mô tả như hình
1.14. Ưu điểm của diode PIn so với diode quang p-n là vùng I có điện trở
cao nên điện trường trong nó không lớn hơn , như vậy độ rộng vùng I
24
chiếm gần hết vùng nghèo và nó có thể thay đổi được trong quá trình chế
tạo .
Trong PIN , thành phần dòng quang điện do chuyển động kéo theo
chiếm ưu thế so với thành phần dòng khuếch tán vì sự hấp thụ ánh sáng
chủ yếu trong vùng I , và độ rộng vùng I có thể chọn lớn để đạt hiệu suất
lượng tử và độ nhạy cao , tuy nhiên do phải tính tới đáp ứng thời gian nên
độ rộng vùng I được chọn một cách tối ưu .
Diode chế tạo từ bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp như InGaas làm
vùng I , còn vùng p và vùng n dùng InP dạng chuyển tiếp nhị thể kép cho
ta độ nhạy cao , đáp ứng tần số nhanh và băng tần lớn . Nếu chế tạo vùng
I bằng bán dẫn có vùng cấm loại gián tiếp thì đáp ứng thời gian lớn sẽ hạn
chế tốc độ bit . Độ nhạy của PIN là :
R
pin
=
ch
q
P
I
q
ph

.
.
λη
=
(1.3)
Trong đó :
- I
ph
: dòng quang điện (A)
- P
q
: công suất quang chiếu lên diode (W)
- η : hiệu suất lượng tử hoá
- λ : bước sóng ánh sáng (m)
- q: điện tích hạt dẫn (điện tử hoặc lỗ trống có giá trị tương ứng ±e )
- h: hằng số Planck
- c: vận tốc ánh sáng (m/s)
25