đồ án kỹ thuật viễn thông Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang

Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
1.1 Lịch sử phát triển
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người
về chuyển động, hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt. Tiếp đó, một hệ
thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các
đèn hiệu.
Năm 1960 phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được laser bán dẫn
và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồn nuôi thấp, công suất và dải
sóng đáp ứng phù hợp làm nguồn phát ánh sáng cho thông tin quang sợi.
Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn α= 1000 dB/km
Năm 1970 hãng Corming Glass Works (Mỹ) sản xuất thành công sợi quang thạch
anh có tiêu hao đạt α= 20dB/km tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục. Mở ra
khả năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.
Năm 1971,VC Chape phát minh ra điện máy phát quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện
thời tiết. Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có
khả năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau.
Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thương mại thế hệ 1 làm việc ở bước
sóng λ=0,78μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L= 12km, tốc độ bit 90Mb/s.
Năm 1979 đến nay đã sản xuất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt
α=0,2dB/km.
Đầu năm 1980, A.G.Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra một
thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động của máy hát thành ánh sáng. Tuy
nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ rơi do sự xuất hiện của hệ
thống vô tuyến.
Năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thế hệ thứ 2 ra đời làm việc với α= 1,3μm,
dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7Gb/s, cự ly khoảng lặp L= 45km.
1
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang

Năm 1990 hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ thứ 3 ra đời làm việc với
α=1,55μm, dùng sợi đơn mode tốc độ bit 2,5Gb/s, cự ly khoảng lặp L= 100km.
Từ năm 1995-2000 hệ thống thông tin quang thương mại thứ 4 được đưa vào sử
dụng. Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng công nghệ WDM kết hợp
với bộ khuếch đại quang EDFA tạo nên các tuyến thông tin quang dung lượng rất lớn
và tốc độ cao từ vài chục đến hàng trăm Gb/s.
Có thể nói thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của Laser
năm 1960. Hơn nữa trong những năm 70 Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao
động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo. Tuổi thọ của nó được ước lượng
khoảng hơn 100 năm. Dựa trên các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã
có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh/dữ liệu đến các địa điểm cách xa
hàng 100km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái
tạo. Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong lĩnh
vực được gọi là Photon học-một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống
thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng
phương tiện ánh sáng.
1.2 Tổng quan
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với thông tin ngày
càng cao. Để đáp ứng được những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng viễn thông phải có dung
lượng lớn, tốc độ cao Các mạng lưới đang dần dần bộc lộ ra những yếu điểm về tốc
độ, dung lượng, băng thông Mặt khác, mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát
triển nhanh chóng, để thích ứng với sự phát triển không ngừng của dung lượng truyền
dẫn thông tin, thì hệ thống thông tin quang ra đời đã tự khẳng định được chính mình.
Như vậy, với việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời
kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockham
năm 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp. 4 năm sau, Kapron đã chế
tạo ra được sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km. Cho tới
đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin sợi quang đã được phổ biến khá rộng rãi
với vùng bước sóng làm việc 1300nm và 1500nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ
2

Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
của thông tin sợi quang trong hơn 2 thập niên qua. Ngày nay, cáp sợi quang đã tạo ra
những triển vọng mới cho công nghệ truyền thông tốc độ cao cũng như việc hiện đại
hóa mạng thông tin và nhu cầu kết nối thông tin. Sự kết hợp sợi quang vào bên trong
dây chống sét cũng như dây dẫn đã đem lại những giải pháp tối ưu cho nhà thiết kế.
Với sự gia tăng của dây chống sét và dây dẫn điện kết hợp với sợi quang không những
chỉ truyền dẫn và phân phối điện mà còn đem lại những lợi ích to lớn về thông tin.
Điều đó làm giảm giá thành của hệ thống và cũng chính vì những lý do trên mà cáp
quang đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Với giá trị suy hao này đã gần đạt
được giá trị suy hao 0.14dB/km của sợi đơn mode, từ đó đã cho ta thấy hệ thống
thông tin quang có các đặc điểm nổi bật hơn hệ thống cáp kim loại là:
 Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
 Băng tần truyền dẫn rất lớn.
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
 Có tính bảo mật tốt.
 Có kích thước và trọng tải nhỏ.
 Sợi có tính cách điện tốt và được chế tạo từ vật liệu có sẵn.
Với các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên
mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,
thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng
được mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới các hệ
thống truyền dẫn xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang cũng
rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép
kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản.
1.3 Hệ thống truyền dẫn quang
Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu sau khi
được mã hóa sẽ đưa đến thiết bị phát quang. Tại đây, tín hiệu điện sẽ được chuyển đổi
sang tín hiệu quang. Tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợi quang thì sẽ bị
suy hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp có nhiệm vụ khuếch đại tín
3

Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
hiệu trên đường truyền để bù đắp sự suy hao ánh sáng truyền trên sợi quang dài với
tuyến thông tin có cự ly lớn nhằm khôi phục lại tín hiệu quang ban đầu để tiếp tục
truyền đi. Khi đến thiết bị thu quang thì tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín
hiệu điện, khôi phục lại tín hiệu ban đầu để đưa đến thiết bị đầu cuối.
Hình 1.1 : Sơ đồ khối một hệ thống thông tin quang sợi điển hình
Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới,
chúng đáp ứng được cả các tín hiệu tương tự cũng như tín hiệu số, chúng cho phép
truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu
cầu của mạng số hóa đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang được lắp đặt trên thế giới
với số lượng ngày càng lớn, ở mọi tốc độ truyền dẫn và ở mọi cự ly. Nhiều nước lấy
môi trường truyền dẫn cáp quang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn
thông của họ.
 Xu hướng phát triển của EDFA
 Bộ khuếch đại quang sợi phản xạ đơn hướng và hai hướng
Để đa dạng hoá việc ứng dụng, từ các modul tiêu chuẩn đơn hướng và song
hướng, trong thời gian tới sẽ có một số dạng cấu hình cải tiến với các modul khác
nhau. Trước hết phải kể đến modul phản xạ đơn hướng và song hướng. Trong các
EDFA phản xạ, một thiết bị được đặt tại đầu ra của EDFA đề phản xạ ánh sáng bơm
và tín hiệu ánh sáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho bộ khuếch đại thực
tăng lên. Các EDFA hai hướng so với EDFA bơm tiêu chuẩn ở hình vẽ sẽ minh hoạ
cho ánh sáng bơm được trong EDFA nhờ một guơng lưỡng sắc. Cấu hình này có thể
cho ra được khuếch đại tín hiệu tăng cao gần như gấp hai lần so với cấu hình chuẩn do
có sự khuếch đại kép ở EDFA phản xạ.
4
T/h vào
Sợi quang
Thiết bị đầu
cuối phát
quang

Sợi quang
Trạm lặp
T/h ra
Thiết bị đầu
cuối thu quang
Input
WDM
Output
EDF
A
Laser
bơm
Hình 1.2 : Cấu hình EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Hiện tại và tương lai, các cấu hình EDFA hai hướng sẽ được ứng dụng nhiều và
cho ra các ưu điểm hơn so với cấu hình phản xạ. Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai
đầu EDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai hướng.Tuy nhiên cấu trúc
này dẫn đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao.
 Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất
5
Input
WDM
Output
EDF
Laser
bơm
Hình 1.3 : Cấu hình EDFA phản xạ
Input
WDM
WDM Cách ly

EDF
Output
Laser
bơm
Hình 1.4 : Cấu hình EDFA bơm hai hướng cơ bản
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Trong các hệ thống khuếch đại quang, các đáp ứng phi tuyến của EDFA đối với tín
hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn, và điều này làm suy
giảm tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại
quang mắc chuỗi, ảnh hưởng của bão hoà khuếch đại tại bất kì trạng thái EDFA nào
cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi được thiết kế để hoạt động tại mức thông suốt tín hiệu
một cách chính xác. Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh
theo bước sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay
đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Điều này gây ra trôi công suất tín hiệu và sự tự
điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn. Như vậy, thực hiện việc điều chỉnh
khuếch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn đề nêu trên là sự điều chỉnh khuếch đại
AGC. Cũng tương tự như thế với hệ thống yêu cầu công suất tín hiệu đầu ra không đổi,
yêu cầu giảm dao động công suất đầu ra, sử dụng APC.
 Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại
Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh WDM
kết hợp EDFA. Như ta đã biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể
hiện một vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xảy ra tại các kênh quang có
khoảng cách bước sóng lớn. Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác
nhau như về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn đến sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu
thu được, điều này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức
không thể chấp nhận được.
Cân bằng khuếch đại nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quang
riêng rẽ.
Làm ph ẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ khuếch đại đồng đều
ở các kênh quang riêng rẽ. Như vậy, khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh, cân bằng

khuếch đại có thể được thực hiện nhờ biện pháp đơn giản như sau: khi có độ dài đã cho
của EDFA, công suất bơm có thể được chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh
và vai gồm các bước sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt
là do ảnh hưởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng
khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch
6
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
 Cấu trúc cải tiến đặc tính khác
Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít
về cấu hình EDFA.
+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu được độ
khuếch đại cao hơn.
+ Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly
+ Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài
EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp.
Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tạp
Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh hưởng từ độ dài
sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế được một bộ EDFA có hiệu quả cao
nhất cần tối ưu hóa độ dài EDF.
1.4 Ưu - Nhược điểm của thông tin quang
Ưu điểm:
 Suy hao thấp
 Dải thông rộng
 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
 Hoàn toàn cách điện
 Không bị can nhiễu của trường điện từ
 Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể
 Tính bảo mật cao
 Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên

Nhược điểm:
 Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt
 Chi phí hàn nối và các thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng
 Thiết bị dù tốt đến đâu thì cũng xảy ra lỗi và để khắc phục nó là cả vấn đề
( nhiều người làm, máy móc hiện đại….)
 Khó có thể lắp đặt theo những đường gấp khúc
7
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
 Không thể sử dụng tại vùng bị chiếu xạ
CHƯƠNG II:
8
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Sợi quang
2.1.1 Đặc tính của ánh sáng
Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc
xạ trong lõi sợi và phản xạ toàn phần sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi
và võ của sợi quang.
Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước hết ta phải
tìm hiểu đặc tính của ánh sáng. Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc tính cơ
bản của ánh sáng (được trình bày ở hình 2.1 dưới đây). Như ta đã biết, ánh sáng truyền
thẳng trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất. Còn hiện tượng phản xạ và khúc
xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số
chiết suất, các tia sáng được truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn vào môi
trường có chỉ số chiết suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới
phân cách giữa hai môi trường. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới này bị đổi hướng
nhưng vẫn tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia khúc xạ còn ngược
lại, nếu tia sáng nào đi trở về lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ. Theo định
luật Snell ta có quan hệ:
n

1
Sin
φ
1
=n
2
Sin
φ
2
với
φ
1
là góc tới và là
φ
2
là góc khúc xạ
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
2.1.2 Cấu tạo
Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm 2 lớp chính từ các chất điện môi đồng
tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core) và lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn
9
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chế tạo sợi quang phổ biến là thủy
tinh thạch anh (Sio) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang từ thủy tinh thạch anh có tiêu
hao thấp và đường kính nhỏ, giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính
lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.
2.1.3 Phân loại
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như:

Bảng tham số của cáp quang

+ Bảng 2.1: Cho các tham số của cáp băng dẹt
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
4÷100 sợi 104÷200 sợi 4÷100 sợi 104÷100 sợi
Đường kính(mm) 14 19 17 19
Trọng lượng(kg/km) 180 380 200 280
Lực kéo (N) 2000 3700 2000 2900
Bán kính cong cho phép(mm) 140 190 170 230
+ Bảng 2.2: Cho các tham số của cáp lõi có khe răng lược
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 12 15 12 13
Trọng lượng(kg/km) 150 260 110 170
Lực kéo (N) 1900 4800 1200 2000
Bán kính cong cho phép(mm) 120 150 150 230
+ Bảng 2.3:Cho tham số của cáp sợi thả lỏng trong ống
10
Sợi quang thạch anh
Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu

Sợi quang bằng nhựa vật liệu
Sợi quang chiết suất phân bậc
Phân loại theo phân bố chiết suất
khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi đều

Sợi quang đơn mode
Phân loại theo mode truyền dẫn
Sợi quang đa mode
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang

Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷48 sợi 50÷96 sợi 2÷48 sợi 50÷96 sợi
Đường kính(mm) 14 18 14 18
Trọng lượng(kg/km) 200 270 190 210
Lực kéo (N) 2000 2000 2000 2000
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 140 180
+Bảng 2.4: Cho các tham số của cáp treo trên cột
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 14/24 18/28 12/22 15/25
Trọng lượng(kg/km) 400 470 350 460
Lực kéo (N) 11000 11000 7500 7500
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 120 150
2.2 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Sợi quang có hai đặc tính truyền dẫn là suy hao và tán sắc
2.2.1 Đặc tính suy hao
Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều
dài sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao. Nếu gọi L (km) là
chiều dài sợi quang, P
v
là công suất quang tại đầu sợi và P
ra
là công suất quang tại cuối
sợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là :
( )
)2.2(lg10
ra
v

P
P
dBL =
Nếu gọi ỏ (dB/km) là hệ số suy hao riêng của sợi thì ta có biểu thức :
( )
)3.2(lg
10
/
ra
v
P
P
l
kmdB =
α
Sự suy hao của sợi quang bao gồm các dạng chính như sau : suy hao do hấp thụ,
suy hao do tán xạ và bức xạ, suy hao do kết nối.
+ Suy hao do hấp thụ là do sự hấp thụ của vật liệu chế tạo sợi với ánh sáng
truyền qua nó. Đó là bản chất vật lý của cấu tạo phân tử và nguyên tử của vật liệu sợi.
Suy hao do hấp thụ bao gồm sự hấp thụ hồng ngoại và tử ngoại của vật liệu, hấp thụ
11
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
của các Ion OH còn sót lại trong quá trình chế tạo sợi. Suy hao do hấp thụ của các Ion
OH có các đỉnh cực đại tại các bước sóng λ = 0,94;1,22 và 1,38 μm. Suy hao do hấp
thụ hồng ngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng λ >= 10 μm, suy hao do hấp thụ tử ngoại sẽ
lớn tại vùng bước sóng λ < 0,1 μm.
+ Suy hao do tán xạ và bức xạ :
Khi ánh sáng truyền trong lõi sợi quang, gặp các chỗ bất đồng nhất về chiết suất
trong sợi có kích thước lớn sấp xỉ bước sóng sẽ bị tán xạ ra mọi phía và được gọi là tán
xạ Rơlay dẫn đến suy hao. Tán xạ này có hệ số suy hao tỷ lệ nghịch với λ

4
. Nên suy
hao do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng ở > 1 μm.
Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ
khi sợi bị uốn cong quá mức. Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không
thực hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên
suy hao do bức xạ. Vì vậy để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang đều quy
định bán kính uốn cong cực đại cho phép theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi.
+ Suy hao do kết nối : bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đấu nối
dùng Colectơ. Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt 0,1 dB/mối, và suy hao
tại mỗi Colectơ không vượt 1 dB/ c.
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy hao
tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của sợi quang.
2.2.2 Đặc tính tán sắc
+ Sự tán sắc của sợi quang : khi xung quang truyền dọc sợi ngoài bị suy hao
còn bị mở rộng độ rộng xung, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi
quang.
Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là :
Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận
lên nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu
12
22
1
rt
l
τττ
−=
(2.4)
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
ISI (inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit

truyền trong sợi.
Có các dạng tán sắc của sợi quang nh sau : tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc
ống dẫn sóng.
+Tán sắc mode : Tán sắc mode chỉ sảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode là
do sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau. Mỗi mode
là một tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, mặc dù các mode truyền
đi đồng thời ở lối vào sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại những thời điểm khác
nhau do đi trên những khoảng cách khác nhau, còn được gọi là sự trễ mode. Tán sắc
mode dẫn đến làm giãn rộng xung quang. Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh
hơn so với ở sợi MM-GI. Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là hệ số
tán sắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, ký hiệu là D.
Dùng lý thuyết quang hình ta tính đợc hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau :
Trong sợi MM-SI :
)/()(
1
kmns
C
n
SID
n
∆
=
(2.5)
Trong sợi MM-GI :
)/(
2
)(
2
1
kmns

C
n
GID
m
∆
=
(2.6)
Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc
vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi
quang.
+Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng
trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết
suất của vật liệu chế tạo lõi sợi là hàm của bước sóng.
13
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau :
)./)((
1
2
1
2
2
2
1
2
nmknps
d
nd
C
Cd

nd
D
vl
λ
λ
λ
λ
λ
−=−=
(2.7)
Trong sợi đa mode, hệ số tán sắc vật liệu là khá nhỏ so với tán sắc mode nên có
thể bỏ qua, nhưng trong sợi đơn mode thì lại là dạng tán sắc trội nhất.Từ đồ thị của
chiết suất ta thấy tại bước sóng λ= 1,27 μm đường chiết suất nhóm có độ dốc bằng
không, nên tại bước sóng này hệ số tán sắc vật liệu bằng không.
+Tán sắc ống dẫn sóng (tán sắc đường truyền):là sự phụ thuộc của hằng số
truyền của mode súng vào bán kính lõi sợi a và bước sóng làm việc theo hàm số dạng.
Tán sắc này cũng dẫn tới làm giãn độ rộng xung quang truyền dọc sợi. Tán sắc ống dẫn
súng trong sợi đa mode là khá nhỏ có thể bỏ qua. Trong sợi đơn mode, tại vùng bước
súng λ < 1μm nó cũng nhỏ so với tán sắc vật liệu và có thể bỏ qua.
)(
2
1
λλ
π
β
a
f
n
=
(2.8)

Song tại vùng bước sóng gần 1,27μm thì tán sắc này lại so sánh được với tán sắc
vật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó. Hệ số tán sắc ống dẫn sóng được tính
theo biểu thức :
)./(
)(
2
2
2
nmkmps
dV
Vbd
C
n
D
ods






∆
=
λ
(2.9) Với
2
2
2
1
2

2
22
/
nn
nk
b
−
−
=
β
Là hằng số truyền chuẩn hóa của mode sóng. Ta thấy rằng đồ thị đường cong hệ
số tán sắc vật liệu D
vl
tăng theo bước sóng tăng, có giá trị từ âm sang dương đi qua
không tại bước sóng bằng1,27 μm. Ngược hệ số tán sắc ống dẫn sóng D
ods
có giá trị
âm và đường cong này giảm khi bước sóng tăng. Vì vậy trong sợi đơn mode hiệu ứng
tán sắc tổng hợp tại bước sóng làm việc ở vùng cửa sổ 1,3 μm giảm đến gần bằng
không.
2.3 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của
sợi quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu. Mặt khác,
14
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
do việc khó lắp đặt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi
quang có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.
2.3.1 Suy hao tín hiệu
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra
Ρ

out
của sợi có
chiều dài L và công suất quang đầu vào P
in
. Tỷ số công suất này là một hàm của bước
sóng. Người ta thường dùng
α
để biểu thị suy hao tính theo dB/km.








=
out
in
P
P
L
log
10
α
(2.10)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như
không có suy hao, khi đó P
out
= P

in
.
2.3.2 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
+ Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có trong
vật liệu sợi. Trong thủy tinh, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển tiếp đã
làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt, crom, đồng và các ion OH. Sự có mặt của
các tạp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn. Các sợi dẫn quang trước đây có
suy hao trong khoảng từ 1 đến 10dB/km. Sự có mặt của các phân tử nước đã làm cho
suy hao tăng hẳn lên. Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2700nm và
cùng tác động qua lại cộng hưởng với Silic, nó tạo ra các khoảng hấp thụ ở 1400nm,
950nm và 750nm. Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó gọi là các cửa sổ
truyền dẫn 850nm, 1300nm, 1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền
ánh sáng.
+ Hấp thụ do vật liệu:Ta thấy rằng ở bước sóng dài thì sẽ suy hao nhỏ nhưng
các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng
dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên
kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng nó vẫn có ảnh hưởng và ở
đây nó kéo dài tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng này không giảm suy hao một
cách đáng kể.
+ Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon
kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn.
15
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
2.3.3 Suy hao do tán xạ
Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi
sợi gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu
trúc hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi.
Việc diễn giải suy hao do tán xạ gây ra là khá phức tạp do bản chất ngẫu nhiên
của phần tử và các thành phần ôxit khác nhau của thủy tinh. Đối với thủy tinh thuần
khiết, suy hao tán xạ tại bước sóng λ do sự bất ổn định về mật độ gây ra có thể được

diễn giải như công thức dưới đây:
( )
TfBscat
Tkn
β
λ
π
α
2
2
4
3
1
3
8
−=
(2.11)
n: chỉ số chiết suất.
k
B
: hằng số Boltzman.

T
β
: hệ số đẳng nhiệt của vật liệu.
T
f
: nhiệt độ hư cấu ( là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại
thành thuỷ tinh)
2.3.4 Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi
dẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh
sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có hai
loại uốn cong sợi:
 Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn
hơn đường kính sợi.
 Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và thường bị xãy ra
trong lúc sợi được bọc thành cáp.
Hiện tượng uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới hạn ở các vị
trí sợi bị uốn cong. Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường gọi là uốn cong) thì hiện
tượng suy hao này thấy rất rõ
Đối với trường hợp sợi bi uốn cong ít thì giá trị suy hao xảy ra là rất ít và khó có
thể mà thấy được. Khi bán kính uốn cong giảm dần thì suy hao sẽ tăng theo quy luật
16
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
hàm mũ cho tới khi bán kính đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì suy hao uốn cong thể
hiện rất rõ. Nếu bán kính uốn cong này nhỏ hơn giá trị điểm ngưỡng thì suy hao sẽ đột
ngột tăng lên rất lớn.
2.4 Cáp sợi quang
2.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật
Sợi quang muốn đưa vào sử dụng trong các tuyến thông tin phải bọc thành cáp.
Sợi quang khi mới sản xuất ra chỉ được bọc một lớp nhựa mỏng để bảo vệ mặt ngoài
của nó, lớp vỏ sơ cấp tiếp có đường kính khoảng 250 μm có thể tách ra khỏi sợi quang
một cách dễ dàng, không ảnh hưởng đến lõi sợi.
Khi sản xuất cáp quang, để bảo đảm tính ổn định, bền vững cơ học và an toàn,
người ta phải làm lớp vỏ bảo vệ cáp, đưa thêm vào cáp các chất độn và các vật liệu gia
cường chịu lực cho cáp. Vỏ bảo vệ cáp thường làm bằng nhựa tổng hợp có độ bền cao
chịu được tác động trong các môi trờng sử dụng. Chất độn là chất nhờn lấp đầy các khe
hở của cáp. Vật liệu gia cường có thể là sợi thép hoặc sợi tổng hợp có độ bền lớn.
+ Đảm bảo truyền dẫn ổn định, bền vững cơ học cao, chịu được tác động của

môi trường, lắp đặt, thi công và sửa chữa thuận tiện.
+ Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định,
nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuận
tiện cho sử dụng.
+ Chất độn yêu cầu có hệ số giãn nở bé, ổn định nhiệt, không bị đông cứng,
không cản trở sự linh động của sợi quang trong cáp, không tác động về mặt hoá học đối
với sợi quang.
+ Các sợi quang trong cáp được đánh dấu bằng các màu sắc khác nhau rõ ràng
để dễ phân biệt các sợi, thuận tiện cho hàn nối không bị nhầm lẫn.
+ Vỏ ngoài cáp đảm bảo chức năng bảo vệ tốt đối với môi trờng bên ngoài như
chống ẩm, tác động của loài vật phá hoại, nâng cao tuổi thọ cho cáp.
2.4.2 Phân loại cáp quang
Cáp quang đựợc phân loại theo nhiều cách khác nhau như :
17
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+ Theo cấu trúc : có cáp đối xứng như cáp cổ điển, cáp với lõi có dạng răng
lược, cáp có cấu trúc dạng băng dẹt.
+ Theo mục đích sử dụng : có cáp dùng cho mạng nội hạt hoặc thuê bao, cáp
trung kế giữa các tổng đài, cáp mạng đường trục.
+ Theo điều kiện lắp đặt : có cáp chôn trực tiếp dới đất, cáp lắp đặt trong cống
bể, cáp treo trên cột, cáp lắp đặt trong nhà, cáp đặt dưới biển.
Ví dụ: Một số mẫu cáp quang
+ Cáp băng dẹt
+ Cáp lõi có khe răng lược

+ Cáp với sợi thả lỏng trong ống
+ Cáp treo trên cột
18
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
2.4.3 Các thành phần của cáp quang

Các thành phần của cáp quang bao gồm : Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần
tử gia cường, vỏ bọc và vật liệu độn.
Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu
trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp. Lõi cáp được bao quanh phần
tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng
chất dẻo.
Thành phần gia cường : Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng của cáp,
đặc biệt ổn định nhiệt độ cho cáp. Nó có thể là kim loại, phi kim, tuy nhiên phải nhẹ và
có độ mềm dẻo cao.
Vỏ cáp : Vỏ cáp bảo vệ cho cáp và thường được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi
bị tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài cáp còn vỏ bọc bằng kim loại
được dùng cho cáp chôn trực tiêp.
2.4.4 Các biện pháp bảo vệ sợi
+ Bọc chặt sợi :
Sợi quang sẽ được bọc chặt do đó sẽ làm tăng tính cơ học của sợi và chống lại ứng
suất bên trong. Các sợi quang có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu dẻo đơn
hoặc kép. Trong một môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có
thể gây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên. Từ đó
có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa
chọn vật liệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và
cách thứ hai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co
nhiệt.
+ Bọc lỏng sợi :
19
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Sợi quang có thể được đặt trong cáp khi được bọc một lớp chất dẻo có màu mỏng.
Các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có ở lõi chất dẻo. Các ống và các
rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể hoàn toàn tự
do trong nó. Kỹ thuật này cho phép sợi tránh được các ứng suất bên trong. Trong cấu
trúc bọc lỏng, các sợi nằm trong ống hoặc trong khe đều được bảo vệ rất tốt. Giải pháp

này ít dùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng.
CHƯƠNG III: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang
Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn
dài tới mức phân bổ suy hao không thoả 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 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 kỹ thuật khuếch đại quang.
Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp
như về 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 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. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại
20
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như :
 Khuếch đại công suất
 Khuếch đại thu
 Khuếch đại đường truyền
Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại
công suất tín hiệu truyền. Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn.
Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín
hiệu thu yếu trước khi đi vào bộ tách sóng.
Khuếch đại đường truyền: khi khoảng cách truyền dài 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, 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.
Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang được thể hiện qua bảng sau:
Thuộc tính
Khuếch đại
Laser FPA
Khuếch đại
Laser TWA
Khuếch đại
quang sợi
Nguyên lý
Bức xạ từ nghịch
đảo độ tích lũy
môi trường
Bức xạ từ nghịch đảo
độ tích lũy môi
trường
Bức xạ từ nghịch
đảo độ tích lũy
môi trường
Công xuất bảo hòa lối
ra (dB)
8 9 11
Băng tần khuếch đại

(Hz)
1-3 G >5T 0.5-4T
Hệ số tạp âm dB 6-9 5.2 3-5
Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ
Phân cực tín hiệu TE-mode TE-mode TE-mode
Hệ số khuếch đại 25-30 20-30 40-50
21
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
tuyến tính dB
Bước sóng công tác 1.3-1.55μm 1.3-1.55μm 1.52-1.57μm
Dòng/công suất bơm 10mA 100mA 20-100mW
Nhiễu xuyên kênh Lớn Lớn Bỏ qua
3.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại
Như ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quan
trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Dưới đây là một số tiêu chuẩn khi
thiết kế các bộ khuếch đại quang :
 Khuếch đại công suất cao: Đạt được công suất cao là mục đích chính của việc
thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt được là 10-
30dB. Nhưng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng.
 Hiệu suất bơm ngoài cao: Công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ
khuếch đại yêu cầu. Để đạt được độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phía có
hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sự phát triển của các bộ khuếch đại
quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này vượt trội hơn thế hệ trước
của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích. Một bộ EDFA điển
hình có hiệu suất bơm từ 6 -10dB/mW.
 Hiệu ứng bão hoà thấp: Khuếch đại bão hòa là không đáng quan tâm trong các
bộ khuếch đại bán dẫn nhưng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi.
 Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều
mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đại
đồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Điều này là quan trọng với kỹ

thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đại
của bộ khuếch đại sẽ nhạy cảm đối với bước sóng của tín hiệu vào. Điều này cho
phép hệ thống truyền dẫn tránh được sự trôi bước sóng.
 Không phụ thuộc vào sự phân cực: Nói chung, khuếch đại công suất cũng phụ
thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào. Đây là nguyên nhân gây ra bởi các hệ số giam
cầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau. Để khắc phục vấn đề này hai bộ
khuếch đại có thể được kết hợp với nhau như sau:
22
Bộ
nối
Bộ tách
tín
hiệu
phân
cực
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Hình 3.1 : Khuếch đại phân cực không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ khuếch đại
riêng biệt cho 2 bước sóng phân cực trực giao
 Nhiễu bổ sung thấp: Do bức xạ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ
khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào. Hơn nữa, do độ khuếch đại
của bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng được khuếch đại. Nhiễu này là nhiễu bức xạ
phát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất là 8 dB. Do các bộ khuếch đại không được
thiết kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên.
 Xuyên kênh thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại
nhiều tín hiệu vào tại các bước sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để
chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác. Nếu hệ số khuếch đại
của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào thì sữ không có
nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk). Tuy
nhiên, vì khuếch đại bão hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào.
Kết quả là, khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công suất lớn hơn dẫn

đến ICI hoặc xuyên kênh.
Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thời
của chúng là có thể thay đổi do cường độ điều chế. Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộ
khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suất
phải không đổi điều chế cường độ. Bộ EDFA dáp ứng được các điều kiện trên vì các
hạt mang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền.
 Bước sóng công tác phù hợp: Như ta đã biết có hai bước sóng quan trọng sử
dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại bước sóng 1300nm tán sắc sợi
là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyết
được vấn đề suy hao nên người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại tại bước sóng
1300nm. Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm
23
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
từ hợp chất nhóm III và V. Nhưng bộ EDFA có thể khuếch đại bước sóng ánh sáng
xung quanh bước sóng 1550nm do dải năng lượng Erbium.
 Suy hao bộ nối thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng trên một tuyến
thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối. Suy hao bộ nối thấp có thể đạt được
khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang.
3.3 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của EDFA
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành
bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er
3+
được kích thích từ trạng
thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức
năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền
4
I
13/2

.
Tín hiệu quang tới sẽ
đi đến với các ion Erbium đã được kích thích. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các
photon phụ có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới. Như vậy đã đạt được quá
trình khuếch đại quang trong EDFA. Các ion đã được kích thích mà không tương tác
với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms.
Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu nhiên. Tiêu biểu có
ít hơn 1% phát xạ tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn
nhiễu quang ở đầu ra của bộ khuếch đại quangEDFA không những tín hiệu được
khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được
khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission). ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu
trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại.
3.3.2 Cơ chế làm việc của EDFA
24
Nguồn
bơm
ngoài
Đoạn sợi quang
pha tạp Er
3+
ánh
sáng
đến
ánh sáng đã
được khuếch đại
Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang
EDFA
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các bộ
khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẫn chưa

được ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời.
Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA được biểu diễn như
(Hình 3.2). Bao gồm một đoạn ngắn sợi được pha tạp bằng các ion erbium (Er
3+)
(gọi
là sợi EDF). Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác
nhân cho sự phát xạ cưỡng bức. Để kích thích các hạt mang của Er
3+
lên các mức năng
lượng cao hơn cần một nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi thông
qua một bộ ghép trực tiếp. Nguồn bơm là một Laser Diode hoạt động ở bước sóng thấp
hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Thông thường là ở bước sóng bơm 980nm
hoặc 1480nm. Sợi EDF được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với
các thiết bị khác.
Hình 3.3 biểu diễn quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước
sóng 1530nm. Do hiệu ứng Stark, ở trạng thái nền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng
lượng. Ở điều kiện cân nhiệt, cả hai trạng thái đều có mật độ hạt mang điện cao hơn
nằm ở dải thấp hơn của chúng. Do tốc độ bơm và bức xạ kích thích đều tỉ lệ với độ
chênh lệch mật độ hạt mang điện của 2 mức nên bơm xảy ra giữa dải thấp của trạng
thái nền và dải cao của trạng thái siêu bền tương ứng với bước sóng 1450nm, và bức xạ
xảy ra giữa dải thấp của trạng thái siêu bền và dải cao của trạng thái nền, tương ứng với
bước sóng 1530nm
25
2/13
4
I
2/15
4
I
Phát xạ tại

bước sóng 1530 nm
Hình 3.3: Quá trình bơm tại bước sóng 1450nm và phát xạ tại bước sóng 1530nm
??só
Bơm tại
bước sóng 1450 nm
Dải cao hơn của mức siêu
bền
Dải thấp hơn của mức siêu
bền
Dải cao hơn của mức nền
Dải thấp hơn của mức nền