BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP-hiện tượng tán sắc và bù tán sắc trong thông tin quang

MỤC LỤC
1.1 Khái niệm thông tin quang 5
1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang 6
1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 8
1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang 9
1.4.1 Ưu điểm
1.4.2 Nhược điểm
1.4.3 Ứng dụng
2.2 Các loại tán sắc 15
2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):
2.2.2 Tán sắc trong mode
2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)
2.2.2.2 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)
2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)
2.2.6 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)
2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang: 28
3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc 32
3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) 34
3.3 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) 35
3.3.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF(Dispersion Compensation Fiber)
3.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang
3.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC
3.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg
3.3.5 Kỹ thuật bù tán sắc mode
3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation) 49
KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TRONG CHUYẾN ĐI THỰC TẬP 51
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
1
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC HÌNH 2

LỜI NÓI ĐẦU 3
tín hiệu điện quang điện 8
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 8
Hình 2.1 Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc 14
Hình 2.2 Tán sắc gây ra tăng BER 15
Hình 2.3 Các loại tán sắc trong sợi quang 16
Hình 2.4 Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang 17
2
Hình 2.5 Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và
gây tán sắc 18
Hình 2.6 Tán sắc trong sợi SI 19
Hình 2.7 Tán sắc mode trong sợi GI 19
Hình 2.8 Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo 24
bước sóng của silica nóng chảy 24
Hình 2.9 Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode 25
Hình 2.10 Tần số chuẩn hóa V 25
Hình 2.11 Biểu diễn DM, DW, D 26
Hình 2.12 Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, 27
sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc 27
Hình 2.13 Tán sắc phân cực mode 28
Hình 2.14 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc 30
( cho hệ thống 1Gbit/s và 2,5 Gbit/s) 30
Hình 2.15 Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5 Gbit/s.31
Hình 3.1 Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b)
Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã 35
Hình 3.2 Sử dụng DCF để bù tán sắc 36
Hình 3.4 Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg 42
Hình 3.6 Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép 47
Hình 3.7 Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình 48
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cuộc sống không ngừng phát triển, song song với nó là nhu cầu của
con người về các dịch vụ như: truyền số liệu, giải trí qua mạng internet…ngày càng
nâng cao. Chính vì vậy các nhà cung cấp dịch vụ cũng tìm cách để nâng cao chất
lượng dịch vụ. Và họ đã giải quyết được vấn đề suy hao quang, suy hao quang
không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay vào đó trong
các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc và các
hiệu ứng phi tuyến gây nên. Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng
3
các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, trái
ngược với các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang không
khôi phục lại tín hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Kết quả là, tán
sắc tích lũy qua các bộ khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu. Chính vì lý
do này, đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990
để hạn chế tác động của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang. Vậy tán sắc là gì
và phải làm như thế nào để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc trong truyền
dẫn quang. Trong bài báo cáo này, em giới thiệu về hiện tượng tán sắc và bù tán sắc
trong thông tin quang. Bài báo cáo gồm 3 chương và cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin quang, đưa ra cấu trúc
chung của hệ thống thông tin quang và chức năng nhiệm vụ của từng phần trong hệ
thống, sau đó rút ra ưu điểm, nhược điểm của hệ thống thông tin quang, cuối cùng là
ứng dụng của hệ thống trong thực tế.
Chương 2: Tìm hiểu về hiện tượng tán sắc trong thông tin quang, đưa ra khái
niệm về tán sắc, phân loại tán sắc, tìm hiểu rõ từng loại tán sắc: tán sắc mode, tán
sắc vận tốc nhóm, tán sắc vật liệu, tán sắc trong sợi đơn mode, tán sắc ống dẫn sóng,
tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao hơn. Ảnh hưởng của tán sắc đến truyền dẫn
quang như thế nào.
Chương 3: Đưa ra các phương pháp cụ thể để bù tán sắc: kỹ thuật bù tán sắc
trước, kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây, kỹ thuật bù sau.
Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Ths. Nguyễn Anh Tuấn – bộ
môn Công nghệ truyền thông - khoa Công nghệ điện tử và truyền thông – Đại học

Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ em
hoàn thành thực tập tốt nghiệp này.
Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên bài báo
cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp của các thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn!
4
Thái Nguyên, tháng 03 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Trịnh thị Xuân
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1 Khái niệm thông tin quang
Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có
nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền qua
sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu.
5
1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển
động hình dáng màu săc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều
chế thông tin đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đền hải đăng các đèn tín
hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như một môi trường truyền đẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện
thời tiết, để giải quyết vấn đề này người ta chế tạo ra máy điện báo vô tuyến để liên
lạc giữa hai người ở cách xa nhau.
Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã
chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp (1000dB/km). Bốn năm sau Karpon đã chế
tạo ra cáp sợi quang trong suốt có đọ suy hao truyền dẫn khooangr20dB/km. Từ 3
thành công rực rỡ này nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên
cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải
thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau đó

giảm độ tổn thất xuống còn 0,18dB/kmcòn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao
động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm.
Cụ thể lịch sử phát triển của thông tin quang như sau:
• 1790 : claude chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện
báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với
các đèn báo hiệu di động trên đó. Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ
thống này vượt chặng đường 200 km trong vòng 15 phút.
• 1870 : John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng có
thể dẫn được theo vòi nước uốn cong, thí nghiệm của ông đã sử dụng
nguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang
ngày nay.
• 1880 : Alexander Graham Bell, người Mỹ, giới thiệu hệ thống
photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền được qua môi trường không
khí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên
6
thực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường
truyền.
• 1934 : Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về
hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh
thủy tinh.
• 1958 : Arthur Schawlow và Charles H.Townes, xây dựng và phát triển
laser.
• 1960 : Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công.
• 1962 : Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận, vấn đề còn
lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
• 1966 : Charles H.Kao và Gooeorge A.Hockham, hai kỹ sư phòng thí
nghiệm Standard telecommunications của Anh, đề xuất việc dung thủy
tinh để truyền dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh
thời ấy còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (suy hao xấp xỉ 1000
dB/km).

• 1970 : Hãng Corning Glass works chế tạo thành công sợi quang loại si có
suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm.
• 1972 : Loại sợi Gi được chế tạo với độ suy hao 4dB/km.
• 1983 : Sợi đơn mode (sm) được xuất xưởng ở Mỹ.
• Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi
này chỉ còn khoảng 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm
Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối
lượng lớn tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa nhau hàng trăm km bằng
một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi
là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng phát
hiện và xử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng.
Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử và
viễn thông trong thế kỷ 21.
7
1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Dưới đây là cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang:

Bộ biến đổi tín hiệu quang
Điện quang lặp đường dây
cáp quang cáp quang
bộ biến đổi
tín hiệu điện quang điện
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
Bộ biến đổi điện – quang (E/O) biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để
truyền trong môi trường cáp quang (biến đổi xung điện thành xung quang).
Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo quy luật của
tín hiệu điện).
Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo
bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thyur

tinh, sợi nhựa.
Yêu cầu: tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của
nguồn sáng lạ (không bị nhiễu).
Bộ biến đổi quang – điện (O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng
trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín
hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu.
Yêu cầu: Độ nhạy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ, tiêu thụ năng
lượng điện ít.
Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi
tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuếch đại. Tón hiệu đã được khuếch
đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên cáp sợi quang.
8
Nguồn
phát tín
hiệu
E/O O/E E/O O/E
Nguồn
thu tín
hiệu
1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang
Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và
nhược điểm riêng. Đặc biệt hiện nay sợi quang đã trở thành một phương tiện thông
dụng cho nhiều yêu cầu truyền thông. Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các
phương pháp truyền dẫn điện thông thường. Bên cạnh đó thì vẫn có một số nhược
điểm. Cụ thể như sau:
1.4.1 Ưu điểm
• Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn
thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được
đồng thời khoảng 600 cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang có thể chứa
được khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên

6000.000 cuộc đàm thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây
thông thường, một cáp gầm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc
đàm thoại, Một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và
một tuyến viba có thể mang được 200 cuộc gọi đồng thời.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với cáp đồng có cùng dung lượng,
cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều.
• Không bị nhiễm điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng
bởi nhiễu điện từ hay nhiễu tàn số vô tuyến và nó không tạo ra bất ký sựu
nhiễu nội tại nào. Các công ty điện lực sử dụng cáp qaung dọc theo các
đường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm
biến áp. Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm. Thậm chí ánh sáng bị
bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể xâm nhập vào sợi quang khác
được.
• Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Cáp sợi quang làm bằng
chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và cho phép cách điện
hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các
dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi
sựu phóng điện trên các đường dây thông tin như sét đánh hay những trục
9
trặc về điện. Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ở
nơi cần cách điện.
• Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi
quang không thể bị trích lấy trộm thông tin bằng các phươn tiện điện
thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó
trích để lấy thông tin dưới dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền ở tâm
sợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang. Thậm chí
nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra
công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu vệ tinh
hay viba có thể dễ dàng thu và giải mã được.
• Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền

dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượng phading. Những tuyến cáp
quang được thiết kế thích hợp để có thể chịu đựng được những điều kiện
về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và có thể hoạt động được ở dưới nước.
Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, ước tính trên 30 năm với một số
cáp. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so
với yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơn
trong tuyến thông tin; trong cáp không có dây đồng(yếu tố có thể bị mòn
dần và gây ra hện tượng lúc có lúc mất tín hiệu); cáp quang cũng không bị
ảnh hưởng bởi sựu ngắn mạch, sựu tăng vọt về điện áp nguồn hay tĩnh
điện.
• Tính linh hoạt các hệ thống thông tin quang đề khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương
thích với các chuẩn RS.232, RS422, V35, Ethernet, ARCnet, FDDI, T1,
T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều
nữa.
• Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát qaung còn hệ
thống cáp sợi quang vẫn có thể giữ nguyên.
• Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường
truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu,
10
khoảng cách này còn có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng các bộ khuếch
đại laze. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách dài hơn
nữa. chi phí tiết kiệm được sử dụng ít các bộ lọc trung gian và việc bảo
dưỡng có thể là khá lớn. Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường
cứ vài km có thể đã cần một bộ lặp.
1.4.2 Nhược điểm
• Hàn nối khó khăn hơn cáp kim loại, muốn hàn cáp quang phải sử dụng
máy hàn chuyên dụng. Do cáp quang thẳng và láng bóng nên yêu cầu chất
lượng mối hàn rất cao.
• Giòn, dễ gẫy: sợi quang sử dụng trong viễn thông được chết tạo từ thủy

tinh nên giòn và dễ gẫy.
• Nếu hệ thống thông tin quang bị hỏng thì viêc sửa chữa đòi hỏi phải có
một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.
• Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng bên trong
sợi quang.
• Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì sẽ nhanh chóng bị hỏng và các mối
hàn mau lão hóa làm tăng tổn hao.
• Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
• Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền
analog.
• Khi truyền tín hiệu trên hệ thống thông tin quang hay bị lỗi tín hiệu khi
chuyển đổi quang – điện và điện – quang.
• Thiết bị thu phát quang đắt đỏ.
• Vấn đề an toàn lao động khi hàn nối cáp quang cũng cần hết sức chú ý. Vì
khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào
tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ
thể. Ngoài ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp
nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi quang chiếu trực tiếp
vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng
11
hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi
có nguồn năng lượng này và sẽ gây nguy hại cho mắt.
1.4.3 Ứng dụng
Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện
thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ được
sử dụng trong ISDN (là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật
chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quân sự và cũng như trong các
thiết bị đo.
Hiện nay thông tin quang được ứng dụng rộng rãi:
• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn quốc tế, kết nối Việt Nam với các

nước trên thế giới. cụ thể có các tuyến chính như: TVH (kết nối Thái Lan,
Việt Nam và Hồng Kong); SEA-ME-WE 3(nối các nước Đông Nam Á,
Trung Đông và Tây Âu); tuyến cáp quang liên Á…Dự án cáp quang biển
AAG, có chiều dài gần 20.000 km, bắt đầu từ Malaysia (TM) và kết cuối
tại Mỹ (AT&T). AAG có các điểm cập bờ tại Mersing (Malaysia), Changi
(Singapore), Sri Racha (Thái Lan), Tungku (Brunei), Vũng Tàu (Việt
Nam), Currimao (Philippines), South Lantau (Hong Kong), Guam (Mỹ),
Hawaii (Mỹ) có tác dụng kết nối internet quốc tế. Nhánh cáp rẽ vào Việt
Nam có chiều dài 314 km, cập bờ tại Vũng Tàu. Hiện Việt Nam có 4
thành viên tham gia AAG gồm: FPT Telecom, VNPT, Viettel và SPT.
• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn liên tỉnh và nội tỉnh để kết nối thông
tin giữa các tổng đâì với nhau. Cụ thể như các tuyến quốc lộ 1A, tuyến
cáp quang trên đường 500KV(điện lực), tuyến cáp quang đường Hồ Chí
Minh, đường 5…
• Sử dụng mạng truy nhập để cung cấp đường truyền tốc độ cao tới các cơ
quan, doanh nghiệp cá nhân có nhu cầu. Ví dụ, cung cấp dường truyền tốc
độ cao hoặc kết hợp với cáp đồng trong các mạng truyền hình cáp.
12
• Mạng đường trục xuyên quốc gia. Mạng đường trục quốc gia của VNPT
bao gồm mạng cáp quang Bắc - Nam dung lượng 360 Gbps, cáp quang
dọc theo tuyến 500 KV, cáp quang ven biển. Mạng được kết nối vòng
Ring đảm bảo thông tin liên lạc thông suốt trong mọi tình huống. Và
Viettel cũng đã và đang xây dựng mạng truyền dẫn đường trục Backbone
với dung lượng 2,5Gb/s được nâng cấp lên 10Gb/s, sử dụng công nghệ
ghép bước sóng WDM và phân cấp số đồng bộ SDH. Với việc sử dụng
cáp quang trên đường dây 500 KV và phối hợp với Tổng Công ty đường
sắt Việt nam xây dựng mới đường trục cáp quang dọc tuyến đường sắt
Bắc Nam, mạng đường trục Bắc Nam của Viettel phát triển theo cấu hình
bao gồm các mạng vòng vu hồi WDM SDH với độ tin cậy và khả năng dự
phòng cao.

• Mạng truyền số liệu, mạng LAN
• Mạng truyền hình cáp cung cấp cho người sử dụng dịch vụ truyền hình
chất lượng cao thông qua dường cáp quang hay cáp đồng trục kết nối nhà
cung cấp với người sử dụng.
• Hiện nay các nhà mạng sử dụng dịch vụ truy nhập internet siêu tốc dựa
trên công nghệ cáp quang FTTH. Với dịch vụ này, các nhu cầu về truyền
tải dữ liệu, truy nhập tốc độ cao với băng thông rộng được đáp ứng một
cách hoàn hảo và chi phí hợp lý. Đây là công nghệ tiên tiến hiện nay và
đang được các quốc gia trên thế giới tin dùng, như Hàn Quốc, Nhật Bản,
Hoa Kỳ,…
13
CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC
2.1.Khái niệm tán sắc
Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra. Nếu
xung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau. Kết
quả là đầu thu không nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát,
dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên,
tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm. Hình dưới đây minh họa cho sự mở
rộng xung do tán sắc.

Hình 2.1 Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc
Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s). Khi đó D được xác
định bởi trong đó Ti, T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa công
suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s). Độ tán sắc qua
mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc
vào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm.
14
Hình 2.2 Tán sắc gây ra tăng BER
2.2 Các loại tán sắc
Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắc

mode, tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao gồm
tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu). Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợi
quang có thể truyền cùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cả
các loại tán sắc nói trên. Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển thì sợi đơn
mode ra đời và nó khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode. Tuy nhiên, vì bản
chất chiết suất Silica là phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể
phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng) mà là một chùm tia sáng
với một độ rộng phổ nào đó. Chính vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán
sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể. Ngày nay, với công nghệ chế tạo
phát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo ra được các loại sợi quang mới có mức tán
sắc giảm đáng kể. Những sợi này được dùng để lắp đặt trong các mạng mới cần tốc
độ bít cao và cự ly lớn. Sau đây ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắc
trong sợi quang.
Hình sau đây mô tả sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang
15
Hình 2.3 Các loại tán sắc trong sợi quang
2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):
Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh
sáng trong sợi quang. Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường
khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng. Có
thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.Tán sắc mode là do
năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với
vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau
là khác nhau gây ra tán sắc. Rõ ràng ta thấy tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode,
do đó muốn loại bỏ tán sắc mode thì ta phải sử dụng sợi đơn mode. Vì vậy khi xét
đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đa mode. Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểu
diễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang. Khẩu độ số càng lớn thì càng dễ hướng
ánh sáng vào sợi quang. Như vậy ta có cảm giác như khẩu độ số càng lớn thì càng
tốt. Nhưng điều này là không đúng, có một trở ngại khiến ta không thể tăng khẩu độ
số lớn. Để hiểu được điều này ta hãy xem xét các mode trong sợi quang. Sự thật là

ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợp của những luồng sáng
hoặc những tia sáng riêng lẻ. Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang
16
ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến α
c
như
được minh họa ở hình sau:
Hình 2.4 Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang
Những luồng sáng khác nhau được gọi là những mode. Ta phân biệt các
mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt.
Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp. Như
vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode
truyền ở góc truyền tới hạn (α
c
) là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang.
Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền
được gọi là sợi đa mode.
Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình
học của sợi. Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng. Và
bước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng. Nếu
khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều. Như vậy có
thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi
(d), khẩu độ số (NA)và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ).
Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có:
thì số lượng mode được tính như sau: N=V
2
/2 (đối với sợi SI), N= V
2
/4(đối với sợi
GI)

17
Như vậy ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn quang
đi vào sợi quang chia thành một tập hợp mode. Trong sợi, công suất quang tổng
cộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại
thành luồng ra với công suất của nó. Hình sau sẽ minh họa cho vấn đề trên (với 4
mode làm ví dụ)
Hình 2.5 Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi
quang và gây tán sắc
Từ hình trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằng
mode 1và kết thúc bằng mode 4. Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín
hiệu bị giãn ra (T
0
>T
i
).
18
Hình 2.6 Tán sắc trong sợi SI
Hình 2.7 Tán sắc mode trong sợi GI
2.2.2 Tán sắc trong mode
Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự
hạn chế tốc độ bít trong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode. Điều này
không có nghĩa là trong sợi đa mode chỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịu ảnh hưởng
của nhiều loại tán sắc khác. Tuy nhiên do tán sắc mode có ảnh hưởng lớn hơn cả nên
ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode. Để khắc phục tán sắc mode người ta đã
chế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, sợi quang như thế được gọi là
sợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber). Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắc
phục được hoàn toàn tán sắc mode. Vì thế tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể
và tăng được cự ly thông tin. Tuy nhiên vì sợi đơn mode vẫn được chế tạo từ Silica
nên nó sẽ còn chịu ảnh hưởng của các loại án sắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc
19

phân cực mode. Trong đó tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ
bít.
Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc trong mode trong sợi quang. Ở
đây không mất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode. Có thể
nói nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER)
không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng), mà nó phát ra một
chùm tia sáng có bước sóng trung âm (tại công suất phát cực đại) và các bước sóng
biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát. Tức là nguồn phát phát ra ánh sáng
nằm trong một dải tần (dải bước sóng). Mà như ta đã biết thì chiết suất của sợi làm
từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng (hay tần số), nên vận tốc lan truyền
của các thành phần tần số khác nhau là khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóng
theo công thức sau:
Tán sắc trong mode có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết là
các thành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc do
nguyên nhân này người ta gọi là tán sắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán
sắc sắc thể. Tuy nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ống dẫn sóng, mà
nguyên nhân sinh ra nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phần trong lõi
và một phần trong lớp bọc. Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớp bọc là một hàm
của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc nhiều
hơn. Như vậy nếu bước sóng thay đổi, sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả
là hệ số lan truyền β cũng thay đổi. Đây chính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn
sóng.
Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn
tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm. Như ta
đã biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vì năng
lượng đưa vào xung chỉ được chuyên chở bởi một mode đơn duy nhất. Tuy nhiên sự
mở rộng xung không biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ
thuộc vào tần số do tán sắc sắc thể. Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của
20
xung truyền có vận tốc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân như

trên được gọi là tán sắc vận tốc nhóm.
2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)
Xét sợi đơn mode có chiều dài L. Một thành phần phổ riêng biệt tại bước
sóng λ có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang sau một độ trễ về mặt thời
gian là T=L/v
g
Trong đó v
g
là vận tốc nhóm và được định nghĩa là:
(1)
Bằng cách áp dụng (β là hằng số lan truyền) vào phương trình
(1) ta có thể tính được trong đó n
g
là chiết suất nhóm và được cho bởi :
(2)
Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến sự mở rộng xung, đơn
giản là bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt sự lan
truyền và không đến ngõ ra của sợi cùng một lúc. Nếu Δω là độ rộng phổ của xung
thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi:
(3)
trong đó phương trình (1) được sử dụng để biến đổi. Tham số được
gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm. Nó quyết định xung quang bị mở rộng bao
nhiêu khi lan truyền trong sợi.
Trong một số hệ thống Thông Tin Quang, sự trải ra về mặt tần số Δω được
quyết định bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang. Thông thường ta sử
dụng Δλ thay cho Δω Bằng cách sử dụng
21
Phương trình (3) có thể được viết lại:
(4)
trong đó

(5)
D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm. [1] Ảnh hưởng của tán sắc lên
tốc độ bít B có thể được ước tính bằng cách sử dụng điều kiện B. ΔT<1. Bằng cách
sử dụng ΔT trong phương trình (4) thì điều kiện này trở thành:
(6)
Phương trình này cho ta một ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode.
Đối với sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng
1,3µm (D xấp xỉ1ps/km-nm). Đối với Lazer bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ 2 đến
4nm thì giá trị B.L có thể vượt quá 100Gbps-km. Trong thực tế ta có các hệ thống
hoạt động tại bước sóng 1,3µm có tốc độ bít là 2Gbps với khoảng cách trạm lặp từ
40 đến 50km. Giá trị B.L của sợi đơn mode có thể vượt quá 1Tbps-km khi Lazer bán
dẫn đơn mode được sử dụng để giảm Δλ dưới 1nm.
Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi 1,3 µm.
Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là do sự phụ thuộc vào tần số của chiết suất
mode n. Từ phương trình (5) D có thể được viết lại:
(7)
22
trong đó phương trình (2) được sử dụng để biến đổi. Người ta đã chứng minh được
D có thể được viết như là tổng của hai số hạng: [1] D = D
M
+ D
W
(8) trong đó D
M
là
tán sắc vật liệu, D
W
là tán sắc ống dẫn sóng và được cho bởi:
(8)
(9)

ở đây n
2g
là chiết suất nhóm của lớp bọc, V là tần số chuẩn hóa, b là hằng số lan
truyền chuẩn hóa, Δ là sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc. Trong
các phương trình từ (8) đến (10) thì tham số Δ được xem là độc lập với tần số.
2.2.2.2 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)
Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng để
chế tạo sợi quang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóng tín
hiệu). Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và
chiết suất nhóm (n
g
) trong dải từ 0,5µm đến 1,6µm đối với sợi Silica nóng chảy.
23
Hình 2.8 Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n
g
theo
bước sóng của silica nóng chảy
Tán sắc vật liệu (D
M
) có liên hệ với độ dốc của n
g
bởi công thức (9) như sau:
Mà vì dn
g
/dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên D
M
= 0 tại λ
ZD
=1,276µm (λ
ZD

được gọi là bước sóng tán sắc 0). Hệ số tán sắc D
M
âm khi λ< λ
ZD
và dương khi λ>
λ
ZD
. Trong dải bước sóng từ 1,25 đến 1,66 µm thì D
M
có thể được xấp xỉ bằng công
thức :
(11)
Lưu ý: λ
ZD
chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết. Giá trị của λ
ZD
có
thể thay đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc được
pha tạp chất để thay đổi chiết suất. Bước sóng tán sắc 0 (λ
ZD
) của sợi quang cũng
phụ thuộc vào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang.
2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)
Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng,
do đó thường thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán
chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode. Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống
dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng. Tán sắc vật liệu và tán sắc ống
dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau . Do xấp xỉ nên
ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc để xét riêng chúng.
Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc là sợi

quang. Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Sau khi đi
vào sợi quang, một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp
bọc như được minh họa ở hình sau:
24
Hình 2.9 Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode.
MDF là đường kính mode. Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc
truyền với vận tốc khác nhau (do lõi và lớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đến
cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gây ra tán sắc. Từ hình trên ta thấy tán
sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trường mode giữa lõi và lớp bọc, tức
phụ thuộc vào đường kính của trường mode (MFD – Mode FieldDiameter) mà MFD
lại phụ thuộc vào bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộc vào bước
sóng.
Tán sắc ống dẫn sóng (D
W
) được tính như trong phương trình (10) và phụ
thuộc vào tham số V ( tần số chuẩn hóa ) của sợi.
Hình sau cho thấy sự thay đổi của d(Vb)/dV và Vd
2
(Vb)/dV
2
theo V
Hình 2.10 Tần số chuẩn hóa V
25