Phương pháp tính toán thiết kế nâng cấp độ tin cậy hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI



LUẬN VĂN THẠC SỸ

TÊN ĐỀ TÀI
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NÂNG CẤP ĐỘ
TIN CẬY HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ĐÌNH THÔNG


CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. TRẦN ĐỨC HÂN


Hà Giang, năm 2013

MỤC LỤC
Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1: 4

CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI SỢI QUANG 4

1.1 CẤU TẠO CHUNG 4

1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG 4

1.3 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG 6

1.3.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng. 6

1.3.2 Mối quan hệ giữa tán sắc với độ rộng băng truyền dẫn và tốc
độ truyền dẫn bit. 7

1.4 TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 9

1.4.1 Các loại tán xạ và ảnh hưởng của chúng tới độ rộng băng
truyền dẫn 10

1.4.2 Tán sắc vật liệu. 11

1.4.3 Tán sắc dẫn sóng 14

1.4.4 Tán sắc mặt cắt. 15

1.4.5 Tán xạ đa mode 15

1.5 SUY HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG. 16

CHƯƠNG 2: 18

NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 18

2.1 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 18

2.1.1 Nguyên lý làm việc 18

2.1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 20

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của bộ khuếch đại EDFA 20

2.2 CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG CHỦ YẾU CỦA EDFA 23

2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong EDFA 23

2.2.2 Khuếch đại trong EDFA 23

2.2.3 Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA 25

2.2.4 Hệ số tạp âm của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 30

CHƯƠNG 3 : 32

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆P
BER
CỦA HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG TÁCH SÓNG QUANG PIN VÀ APD 32

(Chưa xét ñến bộ khuếch ñại quang sợi EDFA) 32

3.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CÁC BỘ TÁCH SÓNG QUANG 32

3.2 TÍNH TOÁN VỚI BỘ TÁCH SÓNG PIN. 33

3.2.1 Giới thiệu bộ tách sóng PIN. 33

3.2.2 Tính toán công suất nhiễu nhiệt 34

3.2.3 Tính toán công suất nhiễu lượng tử 35

3.2.4 Tính toán công suất bù ∆P
BER
. 38

3.3 TÍNH TOÁN VỚI BỘ TÁCH SÓNG APD 40





3.3.1 Giới thiệu bộ tách sóng APD 40

3.3.2 Tính toán công suất nhiễu nhiệt 42

3.3.3 Tính toán công suất nhiễu lượng tử 42

3.3.4 Tính toán công suất bù ∆P
BER
47

3.4 TÍNH TOÁN VỚI MỌI TẠP ÂM CHO PIN VÀ APD 48

3.5 MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT. 51

3.5.1 Trường hợp tính toán xấp xỉ 51

3.5.2 Trường hợp tính toán với mọi loại tạp âm cho PIN 51

3.5.3 Trường hợp tính với mọi loại tạp âm cho APD 53

3.6 KẾT LUẬN: 54

CHƯƠNG 4: 55

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆P
BER
CỦA HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 55

4.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆PBER TRONG THIẾT KẾ HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG 57

4.1.1 Tính toán các loại tạp âm cho BA 58

4.1.2 Tính tổng các loại tạp âm. 65

4.1.3 Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm 66

4.2 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT BÙ ∆PBER 72

4.2.1 Quan hệ giữa ∆P
BER
với G (Gain). 72

4.2.2 Quan hệ giữa ∆P
BER
với L (Line). 74

4.2.3 Quan hệ giữa ∆P
BER
với BER. 76

4.3 KẾT LUẬN 78

CHƯƠNG 5: 81

CƠ SỞ THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG SDH 81

5.1 LỰA CHỌN DIODE THU TRONG THIẾT KẾ TUYẾN. 81

5.1.2 Những đặc điểm quan trọng của APD 83

5.2 CƠ SỞ THIẾT KẾ TUYẾN SDH 84

5.2.1 Cơ sở lý thuyết. 84

5.2.2 Tìm SNR khi biết BER. 88

5.2.3 Khi biết SNR tính BER 89

5.3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN. 89

5.3.1 Xác định giới hạn trạm lặp của một Card 89

5.3.2 Thiết kế tuyến truyền dẫn cáp sợi quang theo Card SDH
chuẩn 91

5.4 KẾT LUẬN 96

KẾT LUẬN 98

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100






LỜI CẢM ƠN
Quá trình học tập tại trường và luận văn này của tôi được sự giúp đỡ nhiệt
tình quý báu của các thầy cô giáo trong khoa đào tạo sau đại học, tập thể lớp K4
chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử năm học 2011 - 2013 và thầy giáo hướng dẫn.
Tôi bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS. Trần Đức Hân (Khoa

Điện tử - Viễn thông Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã tận tình hướng dẫn trực tiếp,
giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn, đã đóng góp những ý
kiến quý báu trong quá trình tôi thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa đào tạo sau
đại học và đặc biệt các thầy cô giáo Bộ môn chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử thuộc
Viện, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình học tập và hoàn thành
luận văn.
Tôi xin cảm ơn Ủy ban nhân dân tỉnh, Sở Thông tin Truyền thông, Đài Phát
thanh và Truyền hình tỉnh, Trung tâm công nghệ thông tin tỉnh Hà Giang và đặc biệt
gia đình tôi cùng hai con của chúng tôi là Nguyễn Đình Minh Hiếu - Nguyễn Ngọc
Minh Hưng đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và để
hoàn thành luận văn này.
Hà Giang, tháng 8 năm 2013


Nguyễn Đình Thông









DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

APD - Avalance Photodiode
BA - Boost Amplifier
EDFA - Erbium – Doped Fiber Amplifier

EHP - Electron Hold Pair
MPI - Multipath Interference
NF - Noise Figure
PSD - Power Spectral Density
PA - Pre-Amplier
LA - Line Amplifier
G - Gain















DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Cấu tạo của sợi quang.
4
Hình 1.2: Phân bố chiết suất trong lõi các sợi quang.
6
Hình 1.3 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang.
8

Hình 1.4 : Phổ bức xạ của LED và LD.
11
Hình 2.1: Cơ chế bức xạ 3 mức
19
Hình 2.2 : Cơ chế bức xạ 4 mức
19
Hình 2.3: Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium.
. 21
Hình 2.4: Giản đồ năng lượng của Erbium.
22
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của một mo dul EDFA.
22
Hình 2.6 : Nhiễu phách tín hiệu – tự phát giữa tín hiệu được khuếch đại và
các thành phần phổ của ASE.
28
Hình 2.7 : Nhiễu phách tự phát – tự phát giữa các thành phần phổ ASE.
29
Hình 3.1 : Mô hình sử dụng bộ tách sóng trực tiếp.
32
Hình 3.2 : Cấu trúc của photodiode PIN
33
Hình 3.3: Cấu trúc của photodiode APD
41
Hình 4.1 Khuếch đại công suất (BA)
56
Hình 4.2 Tiền khuếch đại (PA)
56
Hình 4.3 Khuếch đại đường truyền (LA)
56
Bảng 5-1: Những yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn bộ thu quang

82
Bảng 5-2: Một số thông số điển hình của PIN và APD.
84














LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa từng được sử dụng, để bảo vệ học hàm, học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được
cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Giang, tháng 8 năm 2013
Tác giả luận văn


Nguyễn Đình Thông

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
1

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, việc xây dựng các tuyến thông tin sợi quang có
khoảng cách truyền dẫn lớn, tốc độ cao và việc triển khai các mạng phân phối tín
hiệu băng rộng theo hướng quang hóa hoàn toàn trở thành một vấn đề cấp thiết
nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của xã hội. Để thực hiện các tuyến và mạng
quang có yêu cầu cao như vậy thì cần phải giải quyết hai vấn đề chính là sự tán sắc
và tổn hao trên đường truyền làm giảm chất lượng tín hiệu. Vì tán sắc dần dần được
khắc phục nhờ kết hợp sử dụng sợi quang đơn model với sợi quang tán sắc dịch
chuyển hoặc được bù trong máy thu nên việc bù tổn hao công suất trên đường
truyền trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học và công nghệ khai
thác. Chính vì vậy việc nâng cao độ nhạy trong hệ thống thông tin cáp quang trở
thành vấn đề mang tính cấp thiết. Trên thực tế có nhiều hướng nâng cao độ nhạy
nhưng nội dung của luận văn này chỉ đi sâu nghiên cứu phương pháp nâng cao độ
nhạy bằng giải pháp sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi cáp quang.
Với bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại trực tiếp ánh sáng tín hiệu mà
không thông qua quá trình biến đổi điện nào, dường như là yếu tố tất yếu cần có của
tuyến thông tin cáp sợi quang có cự ly truyền dẫn lớn, EDFA có khả năng khuếch
đại rất lớn nhưng nhiễu loại rất nhỏ, nó khuếch đại tín hiệu không phụ thuộc vào
dạng tín hiệu điều biến và có nhiều ưu điểm đặc biệt. Vì thế nếu EDFA được kết
hợp với bộ thu thành bộ thu khuếch đại quang (OAR) để tăng dòng photo thì có thể
tạo ra độ nhạy thu cao. Nhưng khi sử dụng EDFA để tăng độ nhạy thì có rất nhiều
vấn đề cần quan tâm đó là vị trí nào của EDFA trên tuyến là thích hợp? và khi đó
công suất bù quang trong hệ thống thay đổi như thế nào? Khi mà bộ thu quang kết
hợp với bộ khuếch đại quang sẽ xuất hiện các ảnh hưởng tương tác giữa các tham số
của chúng với nhau và hệ thống xuất hiện các thành phần nhiễu trội mới. Mặc dù tín
hiệu được khuếch đại trước khi tiến hành tách sóng, nhưng nhiễu xạ tự phát được
khuếch đại (ASE) lại tham gia vào với nhiễu tổng thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
2



tới độ nhạy thu. Đây là những vấn đề sẽ được quan tâm chính trong nội dung của
luận văn này.
Hệ thống mạng xương sống (backbone) của rất nhiều quốc gia hiện nay đều
dựa trên cơ sở mạng quang đồng bộ SDH. Đây là công nghệ truyền dẫn cũng không
có gì quá mới mẻ nữa, nó ngày càng thể hiện tính ưu việt so với các mạng trước đó
về tốc độ và an toàn thông tin. Sự ra đời của công nghệ truyền dẫn SDH đã mở ra
một cuộc cách mạng trong hệ thống truyền dẫn.
Mạng truyền dẫn quang được chuyển hóa bởi các Card giao diện quang
(optical interface card) với các tham số như là: Thông số nguồn, thông số sợi quang,
thông số đầu thu. Nhưng tham số liên hệ với BER hay chất lượng của hệ thống
truyền dẫn không xuất hiện trong các card giao diện quang, để tính toán và thiết kế
hệ thống truyền dẫn quang SDH có BER tùy thuộc vào các yêu cầu của hệ thống,
chúng ta phải tìm ra phương pháp tính được công suất bù quang cần thiết. Công suất
này sẽ được tính vào trong quỹ công suất của đường truyền. Ví dụ như là tại các
card giao diện quang có BER là 10
-10
mà yêu cầu của đường truyền quang là BER
= 10
-12
điều đó có nghĩa là ta phải thêm một lượng công suất dự trữ nào đó cho hệ
thống để toàn bộ hệ thống truyền dẫn quang có BER là 10
-12
theo như yêu cầu.
Lượng công suất này được gọi là công suất bù quang (Compensive Optical Power)

∆P
BER
. Ngoài ra công suất bù quang cũng còn quan hệ với các tham số khác nhau
như khoảng cách truyền dẫn L, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi G.
Tuy nhiên, khi sử dụng EDFA thì chúng ta cần phải so sánh xem các phương án đặt
EDFA ở đâu là hợp lý nhất. Nghiên cứu này sẽ giải quyết bài toán đặt EDFA ở ngay
đầu phát (BA: Boost Amplifier), đặt ở giữa đường truyền (LA: Line Amplifier) hay
ngay trước máy thu (PA: Pre-Amplifier) thì cho hiệu quả cao nhất tức là đặt ở đâu
thì ta phải bù công suất ít nhất. Với phương án LA thì cũng cần nghiên cứu xem khi
EDFA dịch chuyển dọc theo tuyến từ gần đầu phát đến gần máy thu thì công suất bù
quang sẽ thay đổi như thế nào? Từ đó đưa ra những khuyến nghị nên đặt EDFA ở

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
3



đâu thì lợi nhất.
Chương I: Trình bày về cấu tạo của sợi quang, sự tán xạ và suy hao trong sợi
quang. Đây sẽ là những kiến thức cơ bản về thông tin quang nhằm mục đích phục
vụ cho những tính toán và dẫn giải ở các chương sau.
Chương II: Trình bày về bộ khuếch đại quang sợi EDFA, về nguyên lý hoạt
động, công suất bơm, bước sóng hoạt động và tạp âm trong bộ khuếch đại quang.
Chương III: Đưa ra phương pháp tính toán công suất bù quang ∆P
BER
thay đổi
theo tỷ lệ lỗi bit BER trong bộ tách sóng PIN và APD (với hệ thống tách sóng trực
tiếp chưa sử dụng khuếch đại quang sợi). Sau đó có kết quả mô phỏng và đánh giá
kết quả nhận được.
Chương IV: Tính toán công suất bù quang ∆P

BER
trong hệ thống sử dụng
khuếch đại quang sợi EDFA. Tính toán với các phương án khác nhau BA, LA, PA.
Mô phỏng theo các mối quan hệ như theo BER, G, L. Đặc biệt với trường hợp LA
thì sẽ mô phỏng khi EDFA di chuyển dọc theo tuyến từ nguồn phát đến máy thu.
Kết luận và đưa ra đánh giá khi lựa chọn bộ tách sóng quang.
Chương V: Tính toán quỹ công suất khi kể đến công suất bù BER, ∆P
BER
, tính
toán quỹ thời gian, khoảng cách tối đa của trạm lặp đối với card giao diện quang.
Các tham số cần quan tâm khi lựa chọn bộ tách sóng quang.
Để hoàn thành được luận văn này, trước hết Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn
sâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn GS.TS. Trần Đức Hân (Khoa Điện tử - Viễn
thông Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên Em
trong suốt thời gian làm luận văn, đã đóng góp những ý kiến quý báu trong quá
trình Em thực hiện luận văn này.



Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
4




CHƯƠNG 1:
CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI SỢI QUANG
1.1 CẤU TẠO CHUNG.
Sợi quang gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n
1

bán kính là a và một lớp
vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi, có chiết suất n
2
, đường kính d
m
(Hình 1.1). Các tham số n
1
, n
2
, a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang nên
gọi là các tham số cấu trúc. Người ta định nghĩa độ lệch chiết suất ∆
n
= n
1
- n
2
và độ
lệch chiết suất tương đối:
2
1
2
2
2
1
1
21
1
2n
nn
n

nn
n
n −
≈
−
=
∆
=∆
(1.1)
Hai tham số này quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi.








Hình 1.1: Cấu tạo của sợi quang.
1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG.
Trong thực tế, sợi quang có hình dạng là một ống hình trụ, muốn khảo sát sự
truyền dẫn của ánh sáng trong nó thì phải dùng một công cụ toán học khá phức tạp là
hệ tọa độ trụ. Do đó để có thể hiểu một cách dễ dàng hơn người ta khảo sát một lớp
d
m
a
r
L

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ

5




vật liệu phẳng đồng nhất theo hướng y (hay còn gọi là sợi quang phẳng). Sau đó thì
những đặc tính truyền dẫn của sợi quang tròn sẽ được suy ra một cách dễ hiểu hơn.
Có thể tạm chia làm ba loại sợi chính:
- Sợi đơn mode.
- Sợi đa mode có phân bố chiết suất lõi dạng Gradient.
- Sợi đa mode có phân bố chiết suất lõi dạng bậc.
Tạm coi một mode truyền dẫn được đặc trưng bởi một tia sáng hoặc một dạng
sóng, thì sợi đa mode sẽ truyền dẫn nhiều mode nghĩa là nhiều tia sáng, còn sợi đơn
mode sẽ chỉ truyền một tia.
Xem xét sự phân bố chiết xuất trong lõi sợi quang. Khi sợi quang có phân bố
chiết suất dạng như Hình 1.2-b, trong đó chiết suất lõi n
1
lớn nhất ở trục sợi và giảm
dần từ trục tới vỏ (chiết xuất n
2
) theo hướng trục x theo đường cong hàm mũ, sợi
quang này gọi là sợi có phân bố chiết suất lõi dạng Gradient (sợi Graded Index- GI).
Còn sợi quang có phân bố chiết suất dạng như Hình 1.2-a, chiết suất lõi n
1
không đổi
từ trục sợi ra vỏ theo hướng trục x, gọi là sợi có phân bố chiết suất lõi dạng bậc (sợi
Step Index-SI).


Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ

6





Hình 1.2: Phân bố chiết suất trong lõi các sợi quang.
a. Sợi quang đa mode chiết suất bậc.
b. Sợi quang đa mode chiết suất Gradient.
c. Sợi quang đơn mode (chiết suất bậc).
1.3 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG.
1.3.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng.
Khi truyền dẫn tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng các
xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên
nhau, khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái
sinh. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng « tán xạ ».
a)
b)
c)

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
7




Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn
tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời.
1.3.2 Mối quan hệ giữa tán sắc với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền
dẫn bit.

Xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu số, một cách gần đúng coi
xung phát có độ rộng τ
s
và xung thu có độ rộng là τ
e
có dạng theo quy luật phân bố
Gaussian. Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nửa biên độ lớn nhất là τ
s
và τ
e
.
Khi thu xung bị dãn rộng do tán xạ, với độ dãn rộng (thời gian) là τ

được tính
theo công thức :
22
se
τττ
−=
(1.2)
Trường hợp xung phát rất hẹp, τ
s
≈ 0 thì có thể coi gần đúng τ

≈ τ
e
. Độ dãn xung
τ thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu do sợi gây ra và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng
truyền dẫn và tốc độ truyền bit.
Trường hợp công suất ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi quang được

coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp với hàm truyền đạt biên độ là :
22
,,5,3
)0(
)(
)(
f
e
fp
fp
fH
τ
−
=
=
=
(1.3)



Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
8





Hình 1.3 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang.
Các xung ánh sáng có phân bố Gaussian khi truyền qua sợi quang thì biên độ
giảm theo quy luật :

2
2
,36,0
max
τ
t
e
P
P
−
=
(1.4)
Xét đặc tính truyền dẫn của sợi qua Hình 1.3
Khi biên độ của hàm │H( f )│ giảm còn một nửa biên độ lớn nhất (tương ứng
với mức sụt quang 3 dB), người ta nhận được tần số f
B
(ở mức 3 dB), và định nghĩa
độ rộng băng truyền dẫn B = f
B

(từ f

= 0 đến

f = f
B
). Thay giá trị │H( f )│= 0,5 vào
phương trình trên ta có được B :
ττ
44,0

,26,2
1
==B
(1.5)
Trong thực tế nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động, gây méo xung thể
hiện qua các giá trị dãn xung thành phần τ
1
τ
2
,… thì tán xạ tổng cộng thể hiện qua
tổng :
τ

2
=
Λ=++
2
3
2
2
2
1
τττ
(1.6)

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
9

Nếu tương ứng với các giá trị τ
1
τ
2
… có các giá trị B
1,
B
2
,… thì độ rộng băng
truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán xạ khác nhau là B
được tính theo công thức :
Λ++=
2
2
2
1
2
111
BBB
(1.7)
Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn
của sợi quang là tốc độ bit lớn nhất có thể truyền dẫn R (bit/s).
Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào máy thu bị dãn rộng, nhưng hai
xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung τ còn nhỏ hơn độ rộng xung τ
s

của xung phát đi. Từ đó ta có công thức tính tốc độ bit R :
BBR 2.26,2
1

≈==
τ
(1.8)
Như vậy độ dãn xung τ, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit R có quan
hệ ảnh hưởng tới nhau. Để truyền được 2 bit/s thì theo công thức lý thuyết cần có độ
rộng băng cỡ 1Hz. Trên thực tế, để truyền được 2 bit/s cần độ rộng băng tần khoảng
1,6 Hz. Do đó có thể nói rằng tốc độ truyền bit lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng
băng tần truyền dẫn.
Muốn có sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit lớn thì phải giảm nhỏ ảnh
hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung τ nhỏ nhất.
1.4 TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG.
Băng tần truyền dẫn thường bị giới hạn bởi sự mở rộng xung hay nói một cách
kỹ thuật là do sự tán sắc. Hai nguyên nhân gây tán sắc là : Tán xạ mode và tán sắc.
Tán sắc còn được chia thành ba phần : Tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn nóng và tán
xạ mặt cắt.
Tán xạ mode thường gây ra bởi sự mở rộng xung do vận tốc nhóm của các
mode khác nhau, với giả thiết nguồn ánh sáng là đơn sắc. Còn sự mở rộng xung trong

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
10



tán sắc là do độ rộng của phổ nguồn sáng đối với mỗi một mode truyền trong sợi
quang.
Đối với sợi đơn mode, vì chỉ có một mode truyền dẫn nên tán xạ đa mode bằng
không, nên băng tần truyền dẫn chủ yếu bị giới hạn bởi tán xạ vật liệu và tán xạ dẫn
sóng. Còn ở sợi đa mode thì tán xạ đa mode giữ vai trò quyết định. Mặt khác, khi
nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như trong trường hợp dùng LED thì tán xạ vật liệu sẽ
có ưu thế, nhưng cũng còn phụ thuộc vào bước sóng.

1.4.1 Các loại tán xạ và ảnh hưởng của chúng tới độ rộng băng truyền dẫn.
Một nguyên nhân quan trọng trong việc quyết định dải thông là sự khác nhau
của vận tốc nhóm của các mode khác nhau. Vận tốc nhóm được cho bởi :
1−






∂
∂
=
ω
β
g
V
(1.9)
Ở đây, β là hằng số truyền dẫn và ω = 2πf là tần số góc. Dùng mối liên hệ trên
ta có thể tính toán được vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn khác nhau trong sợi
quang chiết suất bậc hay sợi quang chiết suất Gradient.
Thời gian truyền dẫn của một tín hiệu qua khoảng cách L được cho bởi:
ω
β
τ
∂
∂
== L
V
L

g
(1.10)
τ gọi là thời gian trễ nhóm.
Giả thiết rằng sự mở rộng xung do tán xạ vật liệu là ∆τ
n
, do tán xạ dẫn sóng là
∆τ
g
, do tán xạ mode là ∆τ
m
, thì tổng trễ nhóm sẽ xấp xỉ bằng:
∆τ
2

= ∆τ
n
2

+ ∆τ
g
2

+ ∆τ
m
2

(1.11)
Trong sợi đa mode, tán xạ mode là chủ yếu nên ∆τ
m
> ∆τ

n
> ∆τ
g
. Tán xạ mode
∆τ
m
phụ thuộc vào phân bố chiết suất trong lõi và vào lượng trộn mode và lọc mode
xảy ra trong truyền dẫn. ∆τ
m
gần bằng không trong sợi đơn mode, do đó sợi đơn

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
11



mode có băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều.
1.4.2 Tán sắc vật liệu.
Vì chiết suất của vật liệu thủy tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước sóng của tín
hiệu ánh sáng lan truyền tức là n = n(λ). Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh
sáng với duy nhất một bước sóng λ
0
thì không có hiện tượng lệch về thời gian giữa
các thành phần của xung ánh sáng vì chúng lan truyền theo cùng vận tốc :
const
n
c
v ==
)(
0

λ

Thế nhưng các nguồn phát quang như LED hoặc LD thường không chỉ bức xạ
ra một vạch phổ tương ứng với bước sóng λ
0
mà chúng còn bức xạ một dải phổ ∆λ
quanh bước sóng λ
0
ở mức biên độ 0,5 như Hình 1.4.

Hình 1.4 : Phổ bức xạ của LED và LD.
Vận tốc pha của mỗi bước sóng trong dải phổ ∆λ sẽ biến đổi theo bước sóng :

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
12



)(
λ
n
c
v
ph
=
(1.12)
Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm n
g
(λ):
)(

)(
1
1
λ
λ
n
c
v
g
=
và
( )
2
2
)(
λ
λ
n
c
v
g
=

Với
( ) ( )
(
)







−=
λ
λ
λλλ
d
dn
nn
g
1
1
ta có :
( )
( )
( )
( )
( )








−
==
λ

λ
λλ
λ
λ
d
dn
n
c
n
c
v
g
g
1
1
(1.13)
Nếu n
g
(λ
2
) > n
g
(λ
1
) thì ta có v
g
(λ
2
) < v
g

(λ
1
), do đó khi truyền dẫn qua đoạn sợi
quang dài L thì hai xung ánh sáng ứng với λ
1
và λ
2
có thời gian truyền nhóm t
g1
và t
g2

lệch nhau ∆t
n
:
( ) ( )
L
vv
t
gg
n
.
11
12









−=∆
λλ
(1.14)
Thay vào (1.13) ta có :
(
)
( )
LDL
d
nd
c
t
n

2
1
2
λλλ
λ
λλ
∆−=∆−=∆
(1.15)
Hệ số D(λ) được định nghĩa là hệ số tán sắc vật liệu :
( )
(
)
2
1

2
.
λ
λλ
λ
d
nd
c
D −=
(1.16)
Đơn vị đo của D(λ) là ps/km.nm. Hệ số tán sắc vật liệu D(λ) phụ thuộc vào loại
vật liệu cho biết độ lệch thời gian lan truyền xung ánh sáng 1 Km sợi quang phổ bức
xạ của nguồn quang rộng 1nm. Khi
(
)
0
2
1
2
>
λ
λ
d
nd
thì những thành phần bước sóng dài
hơn trong dải ∆λ sẽ truyền nhanh hơn những thành phần bước sóng ngắn hơn và

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
13

ngược lại. Chính sự chêch lệch này gây ra méo xung.
Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào máy thu chính là độ chênh lệch thời gian
truyền nhóm :
(
)
LLD
n

2
τλλτ
=∆=∆
(1.17)
Trong đó τ
'
là độ dãn xung khi truyền qua độ dài 1 Km.
Vì độ dãn xung gây ra méo xung truyền dẫn, nên nó hạn chế cả cự ly truyền dẫn
và độ rộng băng truyền dẫn, nên để đánh giá khả năng truyền dẫn của các sợi quang
có tán sắc, người ta đưa ra đại lượng đặc trưng là tích có số độ rộng băng truyền và
cự ly truyền dẫn B.L.
Người ta tính được độ dãn rộng bước sóng tương đối
λ
λ
∆
của ánh sáng lan
truyền bằng:
f
B
s

+
∆
=
∆
λ
λ
λ
λ
(1.18)
Với λ, f là bước sóng và tần số của ánh sáng ở tâm vạch phổ ∆λ
s
, B là độ rộng
phổ của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế. Vì vậy trong trường hợp lý
tưởng khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng không thì độ rộng tương đương của
bước sóng điều chế cũng không thể bằng không.
1.4.2.1 Khi độ rộng phổ nguồn quang ∆λ
s
là lớn.
Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các lọai LED khi dùng làm nguồn sáng
thì sẽ có độ rộng phổ nguồn ∆λ
s
lớn. Do đó
f
B
s
>>
∆
λ
λ
suy ra ∆λ

s
≈ ∆λ

và do đó
trễ nhóm ∆τ
n
sẽ chỉ phụ thuộc chủ yếu vào ∆λ
s
.
n
A
B
τ
∆
=
(1.19)
Với A là một hằng số liên hệ giữa độ rộng trễ nhóm và băng thông, từ biểu thức

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
14



(1.15), (1.16) và (1.17) ta tính được B.L (chú ý ∆λ
s
≈ ∆λ

như sau :
( )
s

d
nd
c
A
LB
λ
λ
λλ
∆
=

.
2
1
2
(1.20)
1.4.2.2 Khi độ rộng phổ nguồn quang ∆λ
s
là nhỏ.
Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một mode đơn ngang và một mode đơn
dọc, thì ∆λ
s
có thể trở nên nhỏ hơn 0,01nm. Vì vậy nếu băng tần điều chế cỡ khoảng
vài GHz thì ta có
f
B
≈
∆
λ
λ

Từ biểu thức (1.19) ta có :
2
1
2
)(
.
λ
λ
d
nd
f
c
A
LB =
(1.21)
Vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với
L

1.4.3 Tán sắc dẫn sóng.
Sự phân bố của trường và hằng số truyền lan của các mode phụ thuộc vào tỷ số
của đường kính lõi
a2
và bước sóng công tác λ (tỷ số
λ
/2a
). Khi đường kính lõi sợi
a2
của một vài sợi không đổi, các mode lan truyền với bước sóng λ lệch nhau một
chút. Vận tốc pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng λ lúc này còn là một
hàm của đặc tính hình học của sợi quang. Như vậy xung bị dãn rộng do vận tốc nhóm

và do đó thời gian truyền nhóm biến đổi phụ thuộc vào bước sóng. Đối với sợi đa
mode do có đường kính lõi lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ. Còn sợi đơn
mode có đường kính lõi khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hưởng đáng kể. Điều này
đáng nói là do sợi có đường kính lõi nhỏ nên khi truyền dẫn có một phần ánh sáng lọt
ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ lõi, có chiết suất thay đổi, nên sinh ra trễ
nhóm. Với sợi đơn mode chiết suất bậc thì :

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
15



(
)








+
∆
∆≈∆
f
B
dV
bVVd
n

c
L
s
g
λ
λ
τ
2
2
1
.

(1.22)
Với
(
)
2
2
1
22
.
1
V
nk
b
βα
−
−=

Trong sợi đơn mode có 2,0<V<2,4 hệ số

(
)
2
2
.
dV
bVd
khoảng 0,1-0,2.
1.4.4 Tán sắc mặt cắt.
Trong quá trình nghiên cứu, khi giả thiết chiết suất có biến thiên theo bước
sóng, người ta đều quan niệm rằng độ chênh lệch chiết suất tương đối
1
21
n
nn
−
=∆

không phụ thuộc vào bước sóng λ. Nhưng khi xem xét kỹ thì chiết suất vỏ và lõi đều
biến thiên theo bước sóng với mức độ khác nhau nên ∆ cũng sẽ thay đổi theo bước
sóng, gây nên tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt, được tượng trưng bởi tham số tán xạ
P :
λ
λ
∆
∆
∆
=
d
n

n
P
g

0
(1.23)
1.4.5 Tán xạ đa mode.
Tán xạ này chỉ xảy ra trong sợi đa mode, các thành phần ánh sáng nhờ các
mode riêng rẽ truyền với những vận tốc khác nhau nên có sự chênh lệch về thời gian,
do đó gây dãn xung. Dạng xung ở đầu vào máy thu phụ thuộc hai yếu tố chính :
− Thành phần công suất từ nguồn quang được ghép vào sợi quang.
− Sự phân bố các mode truyền dẫn trong sợi quang.
Để có thể hiểu hiện tượng một cách tương đối đơn giản, người ta áp dụng
phương pháp tia, tức là coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưng nhờ một tia sáng.
Sợi quang được coi là lý tưởng, không gây ra trộn mode và chiết suất sợi không phụ
thuộc bước sóng.

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
16



Trong sợi SI, các tia sáng ứng với mỗi mode chạy theo các đường zic zắc với độ
dài khác nhau. Vì vậy thời gian để lan truyền của các tia này là rất khác nhau, các tia
đến đầu cuối sợi không cùng một lúc, do đó sự chênh lệch về thời gian gây dãn xung.
Thời gian chênh lệch giữa tia sáng nhanh nhất và tia sáng chậm nhất là :
( )
2
21
nn

c
L
t −=∆
(1.24)
Trong sợi GI, do ánh sáng lan truyền theo các đường cong dạng hình sin, những
tia gần trục quang có đường đi ngắn nhất, nhưng chiết suất lõi sợi ở phần trục lớn nên
vận tốc lan truyền v = c/n nhỏ. Ngược lại các tia ca trục có đường đi dài hơn nhưng
chiết suất phần lõi xa trục lại lớn nên vận tốc lan truyền lại lớn hơn.








−=∆
gNgo
m
vv
L
11
τ
(1.25)
Trong đó : + v
go
là vận tốc nhóm của mode cơ bản.
+ v
gN
là vận tốc nhóm của mode N.

+ L là chiều dài sợi quang.
1.5 SUY HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG.
Khi lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng bị giảm dần. Xét hai tiết
diện sợi đầu và sợi cuối, có công suất ánh sáng tương ứng là P
1,
P
2
(P
1
> P
2
).

Người
ta định nghĩa đại lượng suy hao:
[ ]
dB
p
p
2
1
log10
−=
α
(1.26)
Giả sử xét trong sợi đa mode có phân bố mode ổn định và coi các sợi đang xét
có cấu trúc đồng nhất, thì nói chung ánh sáng trong sợi đơn và đa mode đều suy giảm
dần dọc theo chiều dài sợi quang theo hàm mũ:
( )
10

1
10.
L
pLP
α
−
=
(1.27)

Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
17



Trong đó, P
1
là công suất ánh sáng ở đầu vào sợi và α là một đại lượng đặc
trưng của sợi quang, gọi là hệ số suy hao riêng, chính là suy hao trên 1 Km sợi:
[ ]
KmdB
p
Lp
L
/
)(
log10.
1
1
−=
α

(1.28)
Yêu cầu đối với α là có sự phân bố mode ổn định trong toàn bộ quá trình truyền
dẫn, với sợi đa mode thì α là giá trị trung bình từ nhiều giá trị tiêu hao α
i
khác nhau
của từng mode.













Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
18



CHƯƠNG 2:
NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.1 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI.
2.1.1 Nguyên lý làm việc.
Cách đây hàng hơn 10 năm, người ta đã phát minh ra bộ khuếch đại quang pha
tạp Erbium và đã chỉ ra một tiềm năng lớn khả năng khuếch đại của sợi quang. Việc

sử dụng các sợi quang có pha tạp để làm các bộ khuếch đại tín hiệu ánh sáng đã được
đưa ra, các sợi này được xem như là sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính
vật lý của chúng theo sự thay đổi nhiệt độ, áp suất,… và chúng lại có tính chất bức xạ
ánh sáng. Một điều quan tâm nhất ở đây là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái
tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp.
Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã được dùng để pha tạp sợi dẫn quang với
các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa các ion đất hiếm để trở thành bộ
khuếch đại có thể minh họa như ở Hình 2.1 và Hình 2.2
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E
1
) được kích thích từ một nguồn bức xạ có
bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới một mức cao hơn (E
2
).
Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo các bức xạ hoặc nếu
như có một mức năng lượng thấp hơn (E
3
) nó sẽ bức xạ xuống mức đó trước. Từ đây,
điện tử có thể phân rã xuống mức (E
1
) Hình 2.1 hoặc Hình 2.2 thông qua quá trình
bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng
dài hơn bước sóng kích thích.