Ebook hệ thống thông tin quang tập 1 NXB thông tin và truyền thông

TS. Vũ Văn San
Hiệu đính: GS.TSKH. Đỗ Trung Tá

Hệ thống thông tin quang
(Tập 1)

Nh xuất bản bu điện


Lời giới thiệu
Hơn 10 năm đổi mới, cơ sở hạ tầng viễn thông v công nghệ thông tin
của Việt Nam có những bớc phát triển đột phá góp phần rất quan trọng vo
việc thúc đẩy quá trình phát triển kinh tế của đất nớc.
Từ một mạng lới viễn thông với công nghệ analog lạc hậu, Viễn thông
Việt Nam đã tiến hnh một cuộc cách mạng khoa học v công nghệ cha từng
có, đi thẳng vo hiện đại, bằng chiến lợc tăng tốc để chuyển ton bộ mạng
lới cũ sang mạng mới linh hoạt với kỹ thuật số tiên tiến, đáp ứng mọi nhu
cầu về dịch vụ viễn thông cho đất nớc. Mạng viễn thông Việt Nam đã có
mạng đờng trục cáp sợi quang hiện đại kết nối với các mạng cáp quang quốc
tế trên biển v lục địa v hệ thống các đi vệ tinh để liên lạc với các quốc gia
trên thế giới.
Trong sự phát triển của mạng viễn thông Việt Nam, thông tin quang đã
có những đóng góp đầu tiên v rất quan trọng về cả quy mô phát triển cũng
nh nâng cao chất lợng ton mạng. Hệ thống thông tin bằng cáp sợi quang l
hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật v công nghệ tiên tiến nhất, cho phép tạo ra
các tuyến truyền dẫn di v dung lợng rất lớn, nó tiềm tng khả năng truyền
tải lu lợng băng rộng v cung cấp cùng lúc nhiều dịch vụ linh hoạt, chất
lợng cao. Vì vậy, thông tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền
dẫn trong thời gian tới đây, đặc biệt l phục vụ cho phát triển đột phá Internet
tốc độ cao v các dịch vụ IP.
Các hệ thống thông tin quang đang khai thác hiện nay mới chỉ tận dụng

đợc một phần nhỏ khả năng của nó. Công nghệ thông tin sợi quang vẫn đang
tiếp tục phát triển rất mạnh ở trình độ cao v vì thế cần tiếp tục tìm hiểu, khai
phá v có giải pháp áp dụng nó có hiệu quả hơn trên mạng lới.
L một cán bộ nghiên cứu với nhiều năm chuyên sâu về lĩnh vực thông
tin quang, với kiến thức v kết quả thu đợc trong quá trình lm việc tại Viện
Khoa học kỹ thuật Bu điện thuộc Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông
của mình, Tiến sĩ Vũ Văn San đã tâm huyết biên soạn cuốn Hệ thống thông
tin quang ny. Cuốn sách gồm hai tập có nội dung phong phú mang tính hiện
đại tiếp cận với công nghệ cáp sợi quang, hệ thống thông tin quang, v cấu
trúc mạng quang. Các phần nội dung đợc dẫn dắt v phân tích khá sâu sắc
theo hớng gắn liền với thực tiễn. Cuốn sách sẽ rất bổ ích cho ngời lm công
tác kỹ thuật chuyên ngnh để có thêm những thông tin hữu hiệu trong việc
hoạch định phát triển mạng, tính toán thiết kế cấu hình tuyến v lựa chọn áp
i


dụng những tiến bộ kỹ thuật, công nghệ mới về thông tin quang. Cuốn sách
cũng giúp cho các bạn trẻ, các học viên đại học v sau đại học muốn tìm hiểu
một cách hệ thống về thông tin quang đang đợc sử dụng có hiệu quả trên
mạng lới viễn thông Việt Nam cũng nh những xu hớng phát triển thông tin
quang trên thế giới.
Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc.

Bộ trởng
Bộ Bu chính Viễn thông

GS. TSKH Đỗ Trung Tá

ii

mục lục
Lời giới thiệu
Lời mở đầu
VIT TT

Chơng - 1 Giới thiệu ...................................................................................... 7
1.1. Khái quát về lịch sử ra đời thông tin quang ................................................................7
1.2. Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang ........................................................10
1.3. Các thnh phần chính của hệ thống thông tin quang .............................................13

Chơng - 2 sợi v cáp quang ................................................................... 16
2.1. Sợi quang....................................................................................................................16
2.1.1 Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang ..............................................16
2.1.2 Sợi quang v các mode truyền dẫn ...................................................................18
2.1.3 Truyền dẫn sóng trong sợi quang........................................................................23
2.1.3.1 Các phơng trình Maxwell ..............................................................................23
2.1.3.2 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc.................................................26
2.1.3.3 Sợi quang đơn mode ........................................................................................36
2.1.3.4 Sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien..............................................................39
2.1.4 Các vật liệu chế tạo v đặc tính cơ học của sợi quang ..........................................44
2.1.4.1 Vật liệu chế tạo sợi ..........................................................................................44
2.1.4.2 Đặc tính cơ học của sợi quang.........................................................................46
2.2. Suy hao sợi quang ......................................................................................................49
2.2.1 Suy hao trong sợi quang......................................................................................49
2.2.1.1 Hấp thụ vật liệu trong sợi quang ................................................................49
2.2.1.2 Suy hao do tán xạ .......................................................................................51
2.2.2 Suy hao uốn cong................................................................................................52
2.3. Tán sắc trong sợi quang đơn mode ............................................................................56
2.3.1 Tán sắc vận tốc nhóm .........................................................................................58

2.3.2 Tán sắc vật liệu ...................................................................................................59
2.3.3 Tán sắc dẫn sóng.................................................................................................61
2.3.4 Tán sắc bậc cao...................................................................................................62
2.3.5 Tán sắc phân cực mode.......................................................................................63
2.4. ảnh hởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang ...............................................65
2.4.1 Phơng trình truyền dẫn cơ bản.........................................................................65
2.4.2 Các xung Gaussian bị chirp ...............................................................................67
2.4.3 Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn....................................................................70
2.4.4 Băng tần sợi quang.............................................................................................73
2.5. Giới thiệu một số sợi quang mới ................................................................................75
2.5.1 Nguyên tắc tạo sợi quang mới ............................................................................75
3


2.5.2 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang ...................................79
2.6. Cáp sợi quang..............................................................................................................84
2.6.1 Các biện pháp bảo vệ sợi..............................................................................84
2.6.2 Các phần tử của cáp .....................................................................................86
2.6.2.1 Lõi cáp ...................................................................................................86
2.6.2.2 Thnh phần gia cờng............................................................................87
2.6.2.3 Vỏ cáp ....................................................................................................88
2.6.3 Các loại cáp v ứng dụng .............................................................................89
2.6.3.1 Cáp treo .................................................................................................89
2.6.3.2 Cáp kéo trong cống ................................................................................90
2.6.3.3 Cáp chôn trực tiếp ..................................................................................90
2.6.3.4 Cáp đặt trong nh v cáp nhảy ...............................................................90
2.6.3.5 Cáp ngập nớc v thả biển .....................................................................91

Chơng - 3

Thiết bị phát quang ........................................................... 93

3.1. Các quan niệm cơ bản ................................................................................................93
3.1.1 Các vùng năng lợng ..........................................................................................93
3.1.2 Tiếp giáp pn ........................................................................................................96
3.2. Nguồn phát quang .....................................................................................................98
3.2.1 Diode phát quang LED ......................................................................................98
3.2.1.1 Cấu trúc của LED ........................................................................................98
3.2.1.2 Vật liệu chế tạo nguồn phát.......................................................................101
3.2.1.3 ứng dụng của LED trong thông tin quang ................................................103
3.2.2 Diode laser bán dẫn .........................................................................................105
3.2.2.1 Các mode v điều kiện ngỡng của laser ..................................................105
3.2.2.2 Tần số cộng hởng ....................................................................................109
3.2.2.3 Cấu trúc của diode laser v mẫu bức xạ ....................................................111
3.2.2.4 Diode laser đơn mode................................................................................115
3.2.2.5 Điều chế diode laser ở tần số cao .............................................................118
3.2.2.6 Các ảnh hởng của nhiệt độ ......................................................................118
3.2.2.7 Nhiễu trong nguồn phát laser ....................................................................120
3.2.2.8 Xem xét độ tin cậy của nguồn phát...........................................................121
3.3. Thiết kế thiết bị phát quang .....................................................................................124
3.3.1 Cấy ghép v đóng hộp laser-sợi........................................................................124
3.3.2 Mạch hồi tiếp quang .........................................................................................126
3.3.3 Mạch điện điều khiển .......................................................................................127
3.3.4 Tích hợp quang - điện .......................................................................................128

Chơng- 4

Thiết bị thu quang............................................................. 130

4.1. Giới thiệu................................................................................................................130

4.2. Bộ tách sóng photodiode ......................................................................................131
4.2.1. Bộ tách sóng quang photodiode p- i n .........................................................131
4


4.2.2. Thời gian đáp ứng v dòng photo vùng trôi của bộ tách sóng quang ...............135
4.2.2.1 Thời gian đáp ứng...................................................................................135
4.2.2.2 Dòng photo vùng trôi .............................................................................137
4.2.3. Photodiode thác APD..........................................................................................138
4.2.4. Vật liệu chế tạo photodiode ................................................................................142
4.3. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang ...................................................143
4.3.1. Các nguồn nhiễu trong bộ tách sóng quang......................................................144
4.3.1.1 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng p-i-n.................................................144
4.3.1.2 Các nguồn nhiễu của bộ tách sóng APD.................................................146
4.3.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ...................................................................................147
4.4. Bộ thu quang............................................................................................................149
4.4.1. Cấu hình bộ thu quang......................................................................................149
4.4.2. Các nguồn lỗi trong bộ thu quang ....................................................................152
4.5. Độ nhạy thu của bộ thu quang ...............................................................................153
4.5.1. Giới thiệu về độ nhạy thu..................................................................................153
4.5.2. Độ nhạy thu v tỷ số lỗi bit của bộ thu quang .................................................155
4.5.2.1. Tỷ số lỗi bit trong bộ thu quang ................................................................155
4.5.2.2. Độ nhạy thu của bộ thu quang .................................................................160
4.5.3. Các tham số có ảnh hởng tới độ nhạy thu quang ............................................162
4.5.3.1. Giới hạn lợng tử trong tách sóng quang .................................................162
4.5.3.2. Tỷ số phân biệt ..........................................................................................163
4.6. Cấu trúc mạch bộ thu quang....................................................................................164
4.6.1 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao ..................................................166
4.6.2 Các bộ khuếch đại transistor lỡng cực trở kháng cao .....................................167
4.6.3 Bộ khuếch đại hỗ dẫn ngợc.............................................................................169

4.6.4 Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp ..........................................................170

Chơng - 5

Thiết kế hệ thống thông tin quang...................... 173

5.1. Các chỉ dẫn thiết kế .................................................................................................173
5.1.1. Hệ thống thông tin quang phụ thuộc suy hao truyền dẫn ..........................173
5.1.2. Hệ thống thông tin quang phụ thuộc vo tán sắc.......................................174
5.1.3. Hệ thống thông tin quang cự ly xa sử dụng khuếch đại quang..................176
5.2. Thiết kế hệ thống......................................................................................................178
5.2.1. Quỹ công suất................................................................................................178
5.2.2. Quỹ thời gian lên...........................................................................................179
5.3. Mất mát công suất trong hệ thống thông tin quang .................................................181
5.3.1 Mất mát công suất hệ thống do nhiễu mode ................................................182
5.3.2 Mất mát công suất do tán sắc sợi ...............................................................182
5.3.3 Chirp tần số trong hệ thống........................................................................184
5.3.4 Phản hồi phản xạ v nhiễu .........................................................................187
5.3.5 Nhiễu cạnh tranh mode ..............................................................................190
5


5.3.6 Nhiễu cờng độ..........................................................................................192
5.4. Cấu trúc hệ thống thông tin quang............................................................................194
5.4.1. Kiến trúc hệ thống.......................................................................................194
5.4.2. Mã đờng truyền cho hệ thống thông tin quang .........................................196

Chơng - 6 Hệ thống thông tin quang Coherent ................... 200
6.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang coherent ...........................................201
6.1.1. Khái niệm về thông tin quang coherent .......................................................201

6.1.2. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang coherent .........................202
6.2. Hoạt động của hệ thống thông tin quang Coherent...................................................203
6.2.1. Nguyên lý hoạt động...................................................................................203
6.2.2. Kỹ thuật tách sóng quang Coherent............................................................205
6.2.3. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của bộ thu quang coherent ..................................206
6.3. Các dạng điều chế .....................................................................................................208
6.3.1. Các dạng điều chế .........................................................................................208
6.3.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK .........................................................209
6.3.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK ............................................................211
6.3.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK v khoá dịch pha vi phân DPSK.............212
6.3.5. Điều chế phân cực .........................................................................................213
6.4. Các phơng pháp giải điều chế .................................................................................215
6.4.1. Giải điều chế đồng bộ heterodyne.................................................................215
6.4.2. Giải điều chế không đồng bộ heterodyne......................................................216
6.5. Tỷ số lỗi bit BER trong bộ thu quang coherent ........................................................218
6.5.1. BER của bộ thu ASK đồng bộ.......................................................................218
6.5.2. BER của bộ thu PSK đồng bộ .......................................................................220
6.5.3. BER của bộ thu FSK đồng bộ .......................................................................221
6.5.4. BER của bộ thu ASK không đồng bộ............................................................222
6.5.5. BER của bộ thu FSK không đồng bộ ............................................................224
6.5.6. BER của bộ thu DFSK không đồng bộ..........................................................225
6.6. Các yếu tố ảnh hởng tới độ nhạy thu của hệ thống coherent ..................................226
6.6.1. Nhiễu pha .....................................................................................................226
6.6.2. Nhiễu cờng độ ............................................................................................228
6.6.3. Không tơng xứng về phân cực ...................................................................230
6.6.4. Tán sắc trong sợi quang ...............................................................................233
6.6.5. Các yếu tố hạn chế khác...............................................................................234
6.7. Hiện trạng các hệ thống thử nghiệm .......................................................................235
6.8. Những u điểm của hệ thống thông tin quang Coherent ........................................236
PH LC

TI LIU THAM KHO

6


các chữ viết tắt
ADM
AMI
AON
APD
APS
AR
ASE
ASK
ATM
B-ISDN
BER
BGP
BH
BPF
CCITT
CCS
CNR
COT
CSO
CT
CTB
CW
DBR
DCF

DCN
DCS
DEMUX
DFB
DLC
DPSK
DPT
DR
DR
DSU
DWDM
EDF

Add/Drop Multiplexer
Alternate-Mark-Inversion
All-Optical Network
Avalanche Photodiode
Automatic Protection Switching
Antireflection Coating
Amplified Spontaneous Emission
Amplitude Shift Keying
Asynchronous Transfer Mode
Broadband Integrated Service
Digital Network
Bit Error Rate
Border Gateway Protocol
Buried Heterostructure
Bandpass Filter
International Telegraph and
Telephone Consultative Committee

Common Channel Signalling
Carrier-to-Noise Ratio
Central Office Terminal
Composite Second-order
Central Terminal
Composite Triple Beat
Continous - Wave
Distributed Bragg Reflecter
Dispersion Compensating Fiber
Digital CommunicationNetwork
Digital Cross-Connect System
Demultiplexer
Distributed Feedback
Digital Loop Carrier
Differential Phase Shift Keying
Dynamic Packet Transport
Dynamic Range
Distributed Reflector
Digital Service Unit
Dense WDM
Erbium Doped Fiber
iii

Bộ ghép kênh xen rẽ.
Đảo dấu luân phiên.
Mạng ton quang.
Điôt tách sóng thác.
Chuyển mạch bảo vệ tự động
Vỏ chống phản xạ.
Bức xạ tự phát đợc khuếch đại.

Khoá dịch biên độ.
Môt chuyển giao không đồng bộ.
Mạng số liên kết dịch
vụ băng rộng.
Tỷ lệ lỗi bít.
Giao thức cổng biên
Cấu trúc dị thể chôn.
Bộ lọc băng thông.
Hội đồng t vấn điện thoại
điện báo quốc tế.
Báo hiệu kênh chung.
Tỷ số sóng mang trên nhiễu.
Thiết bị đầu cuối phía tổng đi.
Hỗn hợp bậc hai.
Thiết bị đầu cuối trung tâm.
Phách bộ ba hỗn hợp.
Sóng liên tục.
Phản xạ phân bố Bragg.
Sợi bù tán sắc.
Mạng thông tin số.
Hệ thống (bộ) nối chéo số.
Bộ giải ghép (tách) kênh
Phản hồi phân bố.
Truyền tải mạch vòng số.
Khoá dịch pha vi phân.
Truyền tải gói động.
Dải động.
Bộ phản xạ phân bố.
Thiết bị dịch vụ số.
WDM mật độ (cao, dy đặc).

Sợi pha tạp Erbium


EDFA
ELED
ETSI

Erbium Doped Fiber Amplifier

FET
FP-LD
FPA
FRASL
FSK
FTTB
FTTC
FTTF
FTTH
FTTO
FTTR
FWM
GGL
GI
GRIN
GVD
IDLC
IF
IGL

Edge emitting LED

European Telecommunications
Standard Institute
Field Effect Transistor
Fabry-Perot Laser Diode
Fabry-Perot Amplifier
Fiber Raman Soliton Laser
Frequency Shift Keying
Fiber To The Building
Fiber To The Curb
Fiber To The Floor
Fiber To The Home
Fiber To The Office
Fiber To The Rural
Four-Wave Mixing
Gain Guided Laser
Graded Index
Graded Refractive Index
Group Velocity Dispersion
Integrated Digital Loop Carrier
Intermediate Frequency
Index Guided Laser

IM
IMD
IM-DD

Intensity Modulation
Intermodulation Distortion
Intensity Modulation-Direct Detection

IP
IPS
ISI
IS-IS

Internet Protocol
Intelligent Protection Switching
Intersymbol Interference
Intermediate System to
Intermediate System
Junction Fiel-Effect Transistor
Local Area Network
Laser Diode
Light Emitting Diode
Local Oscillator
Large Optical Cavity

JFET
LAN
LD
LED
LO
LOC

iv

Khuếch đại quang sợi có
pha tạp erbium.
LED phát cạnh.
Viện tiêu chuẩn viễn

thông châu Âu.
Transistor hiệu ứng trờng.
Điôt la-de Fabry-Perot.
Bộ khuếch đại Fabry-Perot.
La-de Soliton Raman sợi.
Khoá dịch tần số.
Sợi quang tới to nh.
Sợi quang tới khu vực dân c.
Sợi quang tới tầng nh.
Sợi quang tới tận nh.
Sợi quang tới công sở.
Sợi quang tới nông thôn.
Trộn bốn sóng.
La-de điều khiển khuếch đại.
Chỉ số Građien.
Chỉ số chiết suất Gradien.
Tán sắc vận tốc nhóm.
DLC tích hợp.
Trung tần.
La-de điều khiển chỉ số
chiết suất.
Điều biến cờng độ.
Méo điều chế tơng hỗ.
Điều biến cờng độ-Tách
sóng trực tiếp.
Giao thức Internet.
Chuyển mạch bảo vệ thông minh.
Nhiễu giữa các ký tự.
Hệ thống trung gian đến
hệ thống trung gian

Transistor trờng liên kết.
Mạng nội bộ (LAN).
Điôt la-de.
Điôt phát quang (LED).
Dao động nội.
Hốc cộng hởng quang rộng.


MAN
MC
MCVD
MESFET
MFD
MLFRL
MOSFET
MPN
MPLS
MPLS-TE
MQW
MSP
MSR
MUX
MZ
NA
NF
NLS
NMS
NNI
NOLM
NRZ

NRZ-L
OA
OADM
OCH
OC-N
OFA
OFDM
OLIU
OLS
OMS
ONI
ONNI
ONU
OOK

Metropolitan Area Network
Message Controller
Modified Chemical
Vapor Deposition
Metal Semiconductor
Field Effect Transistor
Mode Field Diameter
Mode Locked Fiber Ring Laser
Metal Oxide Silicon Field
Effect Transistor
Mode Partition Noise
Multiprotocol Label Switching
MPLS-Traffic Engineering
Multiple Quantum Well
Multiplex Section Protection

Mode Suppression Ratio
Multiplexer
Mach-Zehnder
Numerical Aperture
Noise Figure
Nonlinear Schroedinger
Network Management System
Network Node Interface
Nonlinear Optical Loop Mirror
Non Return to Zero
Non Return to Zero-Level
Optical amplifier
Optical Add/Drop Multiplexer
Optical Channel
Optical Carrier-Level N
Optical Fiber Amplifier
Optical Frequency
Division Multiplexing
Optical Line Unit
Optical Line System
Optical Multiplex Section
Optical Network Interface
Optical Network-to-Network Interface
Optical Network Unit
On/Off Keying
v

Mạng khu vực nội thị.
Bộ điều khiển tín hiệu.
Ngng đọng hơi hoá chất

biến đổi.
Transistor trờng bán dẫn
kim loại.
Đờng kính trờng mode.
La-de sợi vòng chặn mode.
Transistor trờng oxyt
silic kim loại.
Nhiễu cạnh tranh mode.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức.
MPLS-kỹ thuật lu lợng.
Giếng (hố) lợng tử.
Bảo vệ đoạn ghép kênh.
Tỷ số nén mode.
Bộ ghép kênh.
Bộ diều chế Mach-Zehnder.
Khẩu độ số.
Hệ số (hình ảnh) nhiễu.
Schroedinger phi tuyến.
Hệ thống quản lý mạng.
Giao diện nút mạng.
Gơng vòng quang phi tuyến.
Không trở về không.
Không trở về mức không.
Bộ khuếch đại quang.
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang.
Kênh quang.
Truyền tải quang mức N.
Bộ khuếch đại quang sợi.
Ghép kênh quang theo tần
số.

Thiết bị đờng truyền quang.
Thiết bị truyền dẫn quang.
Đoạn ghép kênh quang.
Giao diện mạng quang.
Giao diện mạng-mạng quang.
Thiết bị mạng quang.
Khoá đóng-mở.


OPC
OPLL
OPS
OSNR
OSPF
OSU
OTDM

Optical Phase Conjugation
Optical Phase-locked Loop
Optical Splitter
Optical Signal-to-Noise Ratio
Open Shortest Path First
Optical Switch Unit
Optical Time Division Multiplexing

OTN
OXC
PANDA

Optical Transport Network

Optical Cross Connect
Polarization-maintaining AND
Absorption-reducing
Plastic Clad Silica
Plesiochronous Digital Hierarchy
Passive Distribute Service
Polyethylene
Phase Encoded
Positive Intrinsic Negative
Phase Locked Loop
Phase Modulation
Private Network-to-Network Interface
Polarization Shift Keying
Passive Optical Network
Points of Presence
part per billion
part per million
Phase Shift Keying
Polyvinylchloride
Reach-through Avalanche Photodiode
Radio Frequency
Relative Intensity Noise
Remote Terminal
Remote Unit
Return to Zero
Stimulated Brillouin Scattering
Subcarrier Multiplexing
Synchronous Digital Hierarchy
Surface Emitting Laser
Step Index

Semiconductor Laser Amplifier

PCS
PDH
PDS
PE
PE
PIN
PLL
PM
PNNI
PoLSK
PON
POP
ppb
ppm
PSK
PVC
RAPD
RF
RIN
RT
RU
RZ
SBS
SCM
SDH
SEL
SI
SLA

vi

Kết hợp pha quang.
Mạch khoá pha quang.
Bộ chia quang.
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang.
Luồng đầu tiên ngắn nhất mở
Khối chuyển mạch quang.
Ghép kênh quang theo
thời gian.
Mạng truyền tải quang.
Nối chéo quang
Duy trì phân cực v giảm
hấp thụ.
Sợi thuỷ tinh vỏ chất dẻo.
Phân cấp cận đồng bộ.
Dịch vụ phân bố thụ động.
Pô-ly-ê-ty-len.
Mã hoá pha.
Cấu trúc PIN.
Mạch khoá pha.
Điều chế pha.
Giao diện mạng-mạng riêng.
Khoá dịch phân cực.
Mạng quang thụ động.
Các điểm thể hiện
Phần tỷ.
Phần triệu.
Khoá dịch pha.

Pô-ly-vy-nyl-clo-rit.
Điôt tách sóng thác cận xuyên.
Tần số vô tuyến.
Nhiễu cờng độ tơng đối.
Thiết bị đầu cuối đầu xa.
Thiết bị đầu xa.
Trở về không.
Tán xạ Brillouin kích thích.
Ghép kênh sóng mạng phụ.
Phân cấp số đồng bộ.
La-de phát mặt.
Chỉ số chiết suất phân bậc.
Bộ khuếch đại la-de bán dẫn.


SLT

Subscribe Line Terminal

SMF
SMLL
SNR
SONET
SPM
SRS
STM
STS
TDM
TAL
TCP

TM
TMI
TWA
UDLC
VAD
VCI
VPI
VPN
WDM
WDMA
WGR
WR
WRC

Single Mode Fiber
Semiconductor Mode Locked Laser
Signal-Noise Ratio
Synchronous Optical Network
Self Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering
Synchronous Transport Module
Synchronous Transport Signal
Time Division Multiplexing
Thin Active Layer
Transmission Control Protocol
Terminal Multiplexer
Two-Mode Interface
Traveling Wave Amplifier
Universal Digital Loop Carrier
Vapor Phase Axial Deposition

Virtual Channel Identifier
Virtual Path Identifier
Virtual Private Network
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength Division Multiple Access
Wavelength Grating Router
Wavelength Router
Wavelength Routing Controller

WT
XPM
ZBLAN

Wavelength Terminal
Cross Phase Modulation
Zr-Ba-La-Al-Na

vii

Thiết bị đầu cuối đờng
dây thuê bao.
Sợi dẫn quang đơn mode.
La-de chặn mode bán dẫn.
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
Mạng quang đồng bộ.
Tự điều chế pha.
Tán xạ Raman kích thích.
Mô đun chuyển tải đồng bộ.
Tín hiệu chuyển tải đồng bộ.
Ghép kênh theo thời gian

Lớp tích cực mỏng.
Giao thức điều khiển truyền dẫn.
Bộ ghép kênh đầu cuối.
Giao diện hai mode.
Bộ khuếch đại sóng chạy.
DLC phổ thông.
Ngng đọng trục pha hơi.
Bộ nhận dạng kênh ảo.
Bộ nhận dạng luồng ảo.
Mạng riêng ảo
Ghép kênh theo bớc sóng.
Đa truy nhập theo bớc sóng.
Bộ định tuyến cách tử dẫn sóng.
Bộ định tuyến bớc sóng.
Bộ điều khiển định tuyến
bớc sóng.
(Thiết bị) Kết cuối bớc sóng.
Điều chế ngang (chéo) pha.


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

CHƯƠNG - 1

Giới thiệu
Hệ thống thông tin đợc hiểu một cách đơn giản l hệ thống để truyền thông tin từ nơi
ny đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vi trăm mét tới hng trăm kilomét,
v thậm trí tới hng chục ngn kilomét, chẳng hạn nh l cự ly cần thông tin qua các đại
dơng. Thông tin có thể đợc truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác
nhau từ vi megahertz tới hng trăm terahertz. Còn thông tin quang đợc thực hiện trên hệ

thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ
sóng điện từ. Hệ thống thông tin quang sợi l hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng, v
sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. Các hệ thống ny đợc phát triển rất nhanh v
đang đợc ứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn từ những năm 1980. Trong những
năm tới v tơng lai, các hệ thống thông tin quang sợi - hay thờng gọi l các hệ thống
thông tin quang - vẫn l các hệ thống thông tin chủ đạo. Chúng còn tiềm tng khả năng
rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lới viễn thông trên thế giới.
1.1 kháI quát về lịch sử ra đời thông tin quang
Nói về lịch sử thông tin quang, ta không thể không nói tới việc sử dụng thông tin bằng
ánh sáng của nhân loại trớc đây vốn l một trong những hình thức thông tin sớm nhất.
Ngay từ xa xa để thông tin cho nhau, con ngời đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu.
Qua thời gian di của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần
v ngy cng đợc phát triển thnh những hệ thống thông tin hiện đại nh ngy nay, tạo
cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc đợc với nhau một cách thuận lợi v nhanh chóng.
ở trình độ phát triển cao về thông tin nh hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã nổi
lên v l các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã đợc triển khai nhanh trên mạng
lới viễn thông các nớc trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ v cự ly
truyền dẫn phong phú, bảo đảm chất lợng dịch vụ viễn thông tốt nhất.
Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tơng tự nh các hệ thống thông tin khác, vì
thế m thnh phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ
thống thông tin chung nh hình 1.1. Đây l nguyên lý thông tin m loi ngời đã sử dụng
ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin. Trong sơ đồ ny, tín hiệu cần truyền
đi sẽ đợc phát vo môi trờng truyền dẫn tơng ứng, v ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần
truyền. Nh vậy, tín hiệu đã đợc thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến.
Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn ở đây chính l sợi dẫn quang,
nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Để khảo sát
một cách có hệ thống về thông tin quang, ta hãy xem xét một cách khái quát bối cảnh hình
thnh các hệ thống thông tin nói chung, từ đó sẽ thấy đợc hệ thống thông tin quang ra đời
nh thế no.
Vũ Văn San

7


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

Nơi tín hiệu
cần truyền đi

Thiết bị
phát

Môi trờng
truyền dẫn

Phía phát tín hiệu

Thiết bị
thu

Nơi tín
hiệu đến

Phía thu tín hiệu

Hình 1.1. Các thnh phần cơ bản của một hệ thống thông tin.

Cho tới nay, đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dới các hình thức đa dạng. Các hệ
thống thông tin ny đợc gán cho các tên gọi nhất định theo môi trờng truyền dẫn v đôi
khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống. Thông thờng thì các hệ thống sau đều l sự kế

thừa từ các hệ thống trớc. Các hệ thống mới đợc cải tiến v hon thiện hơn các hệ thống
trớc nó, chúng thờng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt v chất lợng hệ
thống cũng đợc cải thiện nhằm thỏa mãn yêu cầu của con ngời. Sau thời kỳ phát minh
ra máy điện báo của Samuel F.B. Morse năm 1838, dịch vụ điện báo thơng mại đầu tiên
đợc đa vo khai thác năm 1844 v dần dần tăng lên với số lợng đáng kể. Năm 1878,
ngời ta đã tiến hnh đặt các cáp kim loại để nối với tổng đi điện thoại đầu tiên tại New
Haven bang Connecticut. Giai đoạn sử dụng cáp kim loại để truyền dẫn tín hiệu ngự trị
cho tới năm1887, khi m Heinrich Hertz phát minh ra sự phát xạ sóng điện từ có bớc
sóng di, v Guglielmo Marconi thực hiện mn trình diễn vô tuyến vo năm 1895.
Những năm tiếp sau v trong thế kỷ 20, mạng lới điện thoại đã đợc phát triển rộng
khắp trên thế giới, v liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trong việc thiết kế các
hệ thống thông tin điện. Trớc tiên phải kể đến sự cống hiến của các loại cáp đồng trục đã
lm tăng dung lợng đáng kể. Năm 1940, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên đã đợc đặt có
băng tần 3 MHz để truyền dung lợng 300 kênh thoại hoặc một kênh truyền hình. Các hệ
thống sau đó có băng tần 10 MHz, nhng đây cũng l giới hạn của hệ thống ny vì suy
hao cáp bị phụ thuộc vo tần số. Giới hạn ny nhanh chóng đợc giải toả do sự xuất hiện
của các hệ thống thông tin vô tuyến.
Xu hớng sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên, ở đây tín
hiệu mang thông tin thờng đợc chồng lên một sóng điện từ khác có dạng hình sin, m
ngời ta thờng gọi l sóng mang, trớc khi đa vo đờng truyền. ở phía thu, tín hiệu
chứa thông tin sẽ đợc tách ra khỏi sóng mang v đợc sử lý lại theo yêu cầu. Lợng
thông tin đợc phát đi có liên quan trực tiếp tới băng tần m sóng mang hoạt động, nh
vậy tăng tần số sóng mang tức l tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ có đợc dung lợng
thông tin lớn hơn. Xuất phát từ đây, các hệ thống thông tin điện có đợc cơ hội phát triển
v sau ny lần lợt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rađa, các tuyến vi ba. Hệ thống thông
tin vi ba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4 GHz đã đợc đa vo khai thác năm
Vũ Văn San

8

Hệ thống thông tin quang - chơng 1

1948, v sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp tục đợc lắp đặt trên mạng lới.
Cùng với sự phát triển của các hệ thống vi ba, các hệ thống cáp đồng trục cũng đợc lắp
đặt để hoạt động với tốc độ bit 100 Mbit/s. Năm 1975, hệ thống cáp đồng trục tiên tiến
nhất có tốc độ l 274 Mbit/s. Các hệ thống có tốc độ bit cao nh vậy có cự ly khoảng lặp
rất ngắn (1 km) v giá thnh rất đắt. Các hệ thống vi ba có tốc độ bit tơng tự có thể cho
cự ly xa hơn, nhng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang. Nhìn chung, hình ảnh có ý
nghĩa khi đề cập tới khả năng của hệ thống thông tin l tích tốc độ bit - cự ly BL (Bit rate Distance), trong đó B l tốc độ bit v L l cự ly khoảng lặp. Hình 1.2 mô tả tích BL tăng
lên theo tính hiện đại của công nghệ thông tin trong một thế kỷ rỡi vừa qua. Ta nhận thấy
rằng trong một nửa thế kỷ 20, tích BL tăng mạnh theo cấp thập phân nếu sử dụng sóng ánh
sáng lm sóng mang.

1015
Khuếch đại quang

Tích BL [(bit/s)-km]

1012

Thông tin quang
9

10

Vi ba

106
103

Cáp đồng trục

Điện thoại

Điện báo

1
1850

1950

1900

2000

Năm
Hình 1.2 Sự tăng của tích tốc độ bit - cự ly.

Để thấy đợc quá trình sử dụng phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông tin điện, có thể
khảo sát bảng phân cấp phổ sóng điện từ nh đợc đa ra ở bảng 1-1, trong đó môi trờng
truyền dẫn đợc thể hiện rất phong phú từ các đôi dây kim loại cho tới ống dẫn sóng, từ
sóng di cho tới sóng vi ba, đã cho phép thực hiện mọi dịch vụ. Một điều rất quan trọng
đợc thể hiện trong bảng ny m ta cần lu ý l vùng tần số ánh sáng. Trong vùng ny, rất
dễ dng có thể nhận thấy đợc dải băng phù hợp dới dạng bớc sóng, thay cho việc nhận
biết tần số nh trong vùng sóng vô tuyến. Phổ của ánh sáng trải từ 50 nm (cực tím) cho tới
khoảng 100 m (hồng ngoại), phổ ánh sáng nhìn thấy nằm trong dải từ 400 nm cho tới
700 nm. Cũng giống phổ tần số sóng vô tuyến, có hai lớp phân cấp môi trờng truyền dẫn
có thể đợc dùng l kênh truyền dẫn trong khí quyển v kênh truyền dẫn trong ống dẫn
sóng.

Vũ Văn San

9


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

Bảng 1-1 Phân cấp theo phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông tin

Bớc sóng
100km
Âm
thanh

10km

Tần số
rất
thấp
(VLF)

1km

Tần số
thấp
(LF)

100m

Tần số

trung
bình
(MF)

Cáp đối xứng

10m

Tần số
cao
(HF)

1m

Tần số
rất cao
(VHF)

10 cm

Tần số
cực cao
(UHF)

1 cm

Tần số
siêu cao
(SHF)

Sóng
milímet

10-6 m
Hồng
ngoại

Nhìn
thấy

Cực
tím

ống dẫn sóng

Cáp đồng trục

Sợi quang
Viba
Sóng di

Sóng ngắn

2,55m 800m

1kHz

10kHz 100kHz

MHz

10MHz

100MHz 1GHz

10GHz

100GHz

1014Hz

1015Hz

Tần số
Vo năm 1960, việc phát minh ra Laser để lm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ
mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng.
Sự kiện ny gây ra một sự cuốn hút đặc biệt các nh nghiên cứu hng đầu về thông tin trên
thế giới, v tạo ra các ý tởng tập trung tìm tòi giải pháp sử dụng ánh sáng laser cho thông
tin quang. Đó l điểm xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông tin quang.
1.2 quá trình phát triển hệ thống thông tin quang
Nh ở trên đã nhắc đến ở trên rằng các hệ thống thông tin quang chỉ khác về nguyên lý
so với các hệ thống vi ba ở dải tần số sóng mang dùng để mang thông tin. Theo lý thuyết
thì hệ thống thông tin quang có thể cho phép con ngời thực hiện thông tin với lợng kênh
rất lớn vựơt gấp nhiều lần các hệ thống vi ba hiện có. Hng loạt các thực nghiệm về thông
tin trên bầu khí quyển đợc tiến hnh ngay sau đó. Một số kết quả ban đầu đã thu đợc
nhng tiếc rằng chi phí cho các công việc ny quá tốn kém, kinh phí tập trung cho việc
sản xuất các thnh phần thiết bị để vợt qua đợc các cản trở do điều kiện thời tiết (ma,
Vũ Văn San

10

Hệ thống thông tin quang - chơng 1

sơng mù, tuyết, bụi, vv...) gây ra l con số khổng lồ. Chính vì vậy, cha thu hút đợc sự
chú ý của mạng lới.
Một hớng nghiên cứu khác cùng thời gian ny đã tạo đợc hệ thống truyền tin đáng tin
cậy hơn hớng thông tin qua khí quyển ở trên l sự phát minh ra sợi dẫn quang. Các sợi
dẫn quang lần đầu tiên đợc chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000 dB/km),
đã tạo ra đợc một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt hơn. Tiếp sau đó, năm 1966
Kao, Hockman v Werts đã nhận thấy rằng suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu l do tạp
chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây ra. Họ nhận định rằng có thể lm giảm đợc suy hao
của sợi v chắc chắn sẽ tồn tại một điểm no đó trong dải bớc sóng truyền dẫn quang có
suy hao nhỏ. Những nhận định ny đã đợc sáng tỏ khi Kapron, Keck v Maurer chế tạo
thnh công sợi thủy tinh có suy hao 20 dB/km tại Corning Glass vo năm 1970. Suy hao
ny nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi v cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn
tơng đơng với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của
các nh nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lợt ra đời. Cho tới đầu
những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đợc phổ biến khá rộng với
vùng bớc sóng lm việc 1300nm. Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất
nhỏ, giá trị suy hao dới 0,154dB/km tại bớc sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua. Giá trị suy hao ny đã gần
đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mốt l 0,14dB/km. Cùng với công nghệ chế tạo
các nguồn phát v thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với
nhiều u điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại l:
- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ
- Băng tần truyền dẫn rất lớn
- Không bị ảnh hởng của nhiễu điện từ
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao
- Có kích thớc v trọng lợng nhỏ

- Sợi có tính cách điện tốt
- Tin cậy v linh hoạt
- Sợi đợc chế tạo từ vật liệu rất sẵn có.
Do có các u điểm trên m các hệ thống thông tin quang nhanh chóng đợc áp dụng
rộng rãi trên mạng lứơi. Chúng có thể đợc xây dựng lm các tuyến đờng trục, trung kế,
liên tỉnh, thuê bao kéo di cho tới cả việc truy nhập vo mạng thuê bao linh hoạt v đáp
ứng đợc mọi môi trờng lắp đặt từ trong nh, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên
lục địa, vợt đại dơng vv.... Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ
thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh no, các tiêu chuẩn Bắc
Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản, nh ở bảng 1-2.
Ngoi các tốc độ trên, có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần đây gọi l
SONET (Synchronous Optical Network), tốc độ truyền dẫn ở đây có hơi khác chút ít, nó
xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một lu lợng ghép kênh số trên sợi quang. Khối
cấu trúc cơ bản v mức đầu tiên của phân cấp tín hiệu SONET gọi l tín hiệu truyền tải

Vũ Văn San

11


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

đồng bộ - cấp 1 STS-1 (Synchronous Transport Signal -Level 1) v có tốc độ bít 51,84
Mbit/s. Các tín hiệu SONET cấp cao hơn l tín hiệu OC-N (Optical Carrier -Level N). Tín
hiệu OC-N sẽ có tốc độ đờng truyền gấp N lần tín hiệu OC-1. Bảng 1-3 l các mức OC-N
của SONET.
Bảng 1-2 Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, châu Âu v Nhật bản

Phân
cấp

1
2
3
4
5

Khối Bắc Mỹ

Khối châu Âu

Nhật bản

Tốc độ bít
Mbit/s

Số kênh
thoại

Tốc độ bít
Mbit/s

Số kênh
thoại

Tốc độ bít
Mbit/s

Số kênh
thoại

1,544
6,312
44,736
274,176
-

24
96
672
4032
-

2,048
8,448
34,368
139,264
565,148

30
120
480
1920
7680

1,544
6,312
32,064
97,728
396,200

24
96
480
1440
5760

Bảng 1-3 Các mức phân cấp tín hiệu SONET
Mức

OC-1

OC-3

OC-9

OC-12

OC-18

OC-24

OC-36

OC-48

Tốc độ
truyền
(Mbit/s)

51,84

155,52

466,56

622,08

933,12

1244,16

1866,24

2488,32

Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã đợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng
đáp ứng cả các tín hiệu tơng tự (analog) v số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả
các tín hiệu dịch vụ băng hẹp v băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hóa
liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lợng cáp quang hiện nay đợc lắp đặt trên thế giới với số
lợng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa
dạng. Nhiều nớc lấy cáp quang l môi trờng truyền dẫn chính trong mạng lới viễn
thông của họ. Các hệ thống thông tin quang sẽ l mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn
v cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
Thực tế, thông tin quang đang ở vo giai đoạn kết thúc thế hệ thứ t v bắt đầu thế hệ
thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng dụng khuếch đại quang
trên diện rộng. Các hệ thống thông tin quang đã đợc triển khai thử nghiệm thnh công
với những đặc tính rất hấp dẫn nh tốc độ 1,2 Tbit/s, hay truyền dẫn soliton cự ly 9400 km
tại tốc độ 70 Gbit/s nhờ ghép 7 kênh 10Gbit/s, vv... Rõ rng l thông tin quang luôn mang
lại nhiều bất ngờ trong sự phát triển công nghệ của chúng. Điều đó muốn nói rằng chúng

ta cần phải thờng xuyên bổ túc nhiều kiến thức về thông tin quang.
Vũ Văn San

12


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

1.3. các thnh phần chính của hệ thống thông tin quang
Cho đến nay, các hệ thống thông tin quang không còn đợc gọi l các hệ thống thông
tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lới với các cấu trúc khác nhau.
Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thờng phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín
hiệu số v hầu hết các qúa trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hớng
ny. Theo quan niệm thống nhất nh vậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến thông tin
quang bao gồm các thnh phần chính nh hình 1.3 dới đây.

Tín
hiệu
điện
vo

Thiết bị phát quang
Nguồn phát
quang

Trạm lặp

Xen rẽ kênh
Bộ chia quang

Thu
quang
Mối hn sợi

Mạch điện

Sợi quang

Mạch điều
khiển

Bộ nối
quang

Các thiết bị khác

Phát
quang

Thiết bị thu quang
Bù tán sắc

Khuếch đại
quang

Tách sóng
quang

Khuếch

Chuyển đổi
tín hiệu

Tín hiệu
điện ra

Khuếch đại điện

Hình 1.3. Các thnh phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thnh phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang - còn gọi l bộ phát quang,
cáp sợi quang v thiết bị thu quang - hay bộ thu quang. Thiết bị phát quang đợc cấu tạo
từ nguồn phát tín hiệu quang v các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang
gồm có các sợi dẫn quang v các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ
môi trờng bên ngoi. Thiết bị thu quang đợc cấu tạo từ bộ tách sóng quang v các mạch
khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thnh. Ngoi các thnh phần chủ yếu ny, tuyến thông tin
quang còn có các bộ ghép nối quang - connector, các mối hn, các bộ chia quang v các
trạm lặp; ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang,
thiết bị bù tán sắc, v các trạm xen rẽ kênh, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hon
chỉnh. Các thnh phần chính ở trên sẽ đợc lần lợt xét tới ở các chơng sau trong cuốn

Vũ Văn San

13


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

sách ny. Tuy nhiên, để có đợc những khái niệm ban đầu về các thnh phần của hệ
thống, xin đợc sơ lợc tóm tắt nh sau.

Tơng tự nh cáp đồng, cáp sợi quang đợc khai thác với nhiều điều kiện lắp đặt khác
nhau. Chúng có thể đợc treo ngoi trời, chôn trực tiếp dới đất, kéo trong cống, đặt dới
biển. Tùy thuộc vo các điều kiện lắp đặt khác nhau m độ di chế tạo của cáp cũng khác
nhau, có thể di từ vi trăm mét tới vi kilomet. Tuy nhiên đôi khi thi công, các kích cỡ
của cáp cũng phụ thuộc vo từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn nh cáp đợc kéo trong cống
sẽ không thể cho phép di đợc, cáp có độ di khá lớn thờng đợc dùng cho treo hoặc
chôn trực tiếp. Các mối hn sẽ kết nối các độ di cáp thnh độ di tổng cộng của tuyến
đợc lắp đặt.
Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ di của tuyến thông
tin l suy hao sợi quang theo bớc sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bớc sóng
tồn tại ba vùng m tại đó có suy hao thấp l các vùng bớc sóng 850 nm, 1300 nm v
1550 nm. Ba vùng bớc sóng ny đợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang v đợc
gọi tơng ứng l các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai v thứ ba. Thời kỳ đầu của kỹ thuật
thông tin quang, cửa sổ thứ nhất đợc sử dụng. Nhng sau ny do công nghệ chế tạo sợi
phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin ngy
nay chủ yếu hoạt động ở cửa sổ thứ hai v thứ ba. Các hớng nghiên cứu về công nghệ sợi
quang còn cho biết rằng, suy hao sợi quang ở các vùng bớc sóng di hơn còn nhỏ hơn
nữa. Giá trị suy hao sợi nhỏ nhất có thể thu đợc lại ở vùng bớc sóng 2,55 m trên sợi
Fluoride. Sợi dẫn quang có suy hao nhỏ ny đợc chế tạo từ thủy tinh fluoride có hm
lợng kim loại nặng trong đó ZrF4 l thnh phần chủ yếu. Giá trị suy hao tối thiểu ở sợi
đặc biệt ny đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/km.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điôt phát quang (LED) hoặc Laser bán
dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát ny đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, có
tín hiệu quang đầu ra tơng ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu
vo thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến
đổi tín hiệu điện ny thnh tín hiệu quang tơng ứng v công suất quang đầu ra sẽ phụ
thuộc vo sự thay đổi của cờng độ dòng điều biến. Công suất phát quang l một tham số
thiết kế quan trọng vì nó góp phần xác định đợc suy hao sợi quang hoặc quỹ công suất
trên tuyến đợc phép l bao nhiêu. Nó đợc diễn giải bằng đơn vị dBm với mức 1 mW lm
mức tham khảo. Biểu thức xác định chung l:

P
Pt (dBm) = 10 log 10 t
1mW

(1-1)

Bớc sóng lm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vo vật liệu cấu tạo. Đuôi
sợi ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc khai thác trên
tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã đợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn
quang để tới thiết bị thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thờng bị
Vũ Văn San

14


Hệ thống thông tin quang - chơng 1

suy hao v méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc, v một số ảnh hởng khác gây nên.
Bộ tách sóng quang trong thiết bị thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng v tách lấy tín hiệu từ
hớng phát tới. Tín hiệu quang đợc biến đổi trực tiếp trở lại thnh tín hiệu điện. Các
photođiôt p-i-n v photođiôt thác APD đều có thể sử dụng lm các bộ tách sóng quang
trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại ny nhìn chung đều có hiệu suất lm việc
cao v có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng
quang sẽ quyết định bớc sóng lm việc của chúng v đuôi sợi quang đầu vo của các bộ
tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc sử dụng trên tuyến lắp đặt.
Yếu tố quan trọng nhất phản ánh hiệu suất lm việc của thiết bị thu quang l độ nhạy thu
quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu đợc ở một tốc độ truyền dẫn số no
đó ứng với tỷ số lỗi bit (BER) của hệ thống; điều ny tơng tự nh tỷ số tín hiệu trên nhiễu
ở các hệ thống truyền dẫn analog.

Khi khoảng cách truyền dẫn khá di, tới một cự ly no đó, tín hiệu quang trong sợi bị
suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị
trạm lặp quang gồm có thiết bị phát v thiết bị thu ghép quay phần điện vo nhau. Thiết bị
thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hnh biến đổi thnh tín hịêu điện, khuếch
đại tín hiệu ny, sửa dạng v đa vo đầu vo thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực
hiện biến đổi tín hiệu điện thnh tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vo đờng truyền. Những
năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã đợc sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm
lặp quang. Nó thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang m không phải thông qua quá
trình biến đổi quang - điện. Chơng - 8 sẽ xét cụ thể về kỹ thuật ny.
Thực tế, trên tuyến truyền dẫn di đi qua một số các điểm cần thông tin với nhau, hệ
thống cần phải có thêm các trạm xen rẽ kênh. Các thiết bị xen rẽ kênh thực hiện tách các
kênh cần thiết trong tổng các kênh đợc truyền dẫn tại nơi nhận các kênh thông tin ny, v
cũng có thể ghép xen thêm kênh tại nơi muốn gửi thông tin đi. Việc xen rẽ kênh thờng
đợc thực hiện thông qua các thiết bị ghép kênh điện v gọi l thiết bị ADM. Tuy nhiên
thời gian gần đây, các thiết bị xen rẽ kênh quang OADM đã đợc ứng dụng. Nó cho phép
tách v ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang trên tuyến truyền dẫn, v nh vậy không
cần phải thông qua quá trình biến đổi quang - điện.

Vũ Văn San

15


hệ thống thông tin quang - chơng 2

CHƯƠNG - 2

Sợi v Cáp quang
Cáp quang, hay còn gọi l cáp sợi quang, bao gồm hai thnh phần chính l sợi quang v
các lớp bọc cáp. Sợi quang, hay còn gọi l sợi dẫn quang, l thnh phần chính của cáp có

chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng. Vì thế khi mô tả môi trờng truyền dẫn quang của
hệ thống thông tin quang thì chỉ cần diễn giải trên sợi quang l đủ. Các lớp bọc sợi để tạo
thnh cáp quang có chức năng chính l bảo vệ sợi khỏi bị tác động từ các yếu tố môi
trờng bên ngoi. Mỗi một loại cáp có cấu trúc lớp bọc khác nhau phù hợp với từng môi
trờng lắp đặt cáp. Với mục đích tập trung vo công nghệ của hệ thống truyền dẫn, nên
trong chơng ny sẽ giới thiệu về cáp sợi quang với trọng tâm l xem xét các cấu trúc v
đặc tính quang của sợi. Những tham số đặc tính có tác động quan trọng tới xu hớng phát
triển cho hệ thống tiên tiến sẽ đợc phân tích kỹ, còn các tham số phụ khác chỉ đợc giới
thiệu vắn tắt vì có thể tham khảo trong lần xuất bản trớc [1] v một số sách chuyên ngnh
khác [2-5].
2.1 sợi quang
2.1.1 Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang
Hiện tợng phản xạ ton phần bên trong đã đợc biết đến từ năm 1854, v nó l nguyên
nhân dẫn đến việc truyền sóng ánh sáng trong sợi quang. Một cách chung nhất, có thể coi
ánh sáng l một chùm các phần tử hạt rất nhỏ bé đợc phát ra từ một nguồn sáng. Các
phần tử ny đợc hình dung nh đang đi theo một đờng thẳng v có thể thâm nhập vo
môi trờng trong suốt nhng lại bị phản xạ khi gặp các môi trờng đục. Quan điểm ny đã
mô tả đợc đầy đủ các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng no đó ví dụ nh
các hiện tợng phản xạ v khúc xạ ánh sáng, nhng lại không đúng khi dùng thuyết ny
để giải thích về hiện tợng nhiễu xạ v giao thoa; tuy nhiên hiện tợng nhiễu xạ v giao
thoa chỉ l hãn hữu. Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của
sóng ánh sáng l sóng điện từ. Hơn thế nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, ngời ta
nhận thấy sự chuyển động của sóng luôn vuông góc với hớng m sóng đi, điều đó chỉ ra
rằng sóng ánh sáng l sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang thì sóng
điện từ đợc phát ra từ một nguồn nhỏ có thể đợc đặc trng bởi một loạt các mặt sóng
hình cầu m nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu ny. Mặt sóng đợc xác định bởi quỹ tích
tất cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha.
Theo quan điểm lý thuyết về ánh sáng nh ở trên thì chúng hon ton có liên quan tới
việc truyền dẫn ánh sáng. Tuy nhiên khi xét tới sự tác động tơng tác của ánh sáng v vật
chất cũng nh các hiện tợng tán sắc, sự hấp thụ v sự bức xạ ánh sáng, thì cả lý thuyết

hạt v lý thuyết sóng của ánh sáng đều có ý nghĩa. Về bản chất hạt, năng lợng ánh sáng
luôn luôn bức xạ hoặc bị hấp thụ trong các đơn vị rời rạc đợc gọi l photon. Tất cả các
Vũ Văn San

16


hệ thống thông tin quang - chơng 2

thực nghiệm về vấn đề ny đều thấy sự tồn tại các photon v năng lợng của chúng chỉ
phụ thuộc vo tần số . Mối quan hệ giữa năng lợng E v tần số của photon l:
E = h

(2-1)

ở đây h = 6,625 ì 10-34 J.s l hằng số Plăng.
Khi ánh sáng tiếp cận vo một nguyên tử, thì photon có thể thực hiện chuyển năng
lợng của nó tới một điện tử ở trong nguyên tử ny, v kích thích nó lên một mức năng
lợng cao hơn. Trong các quá trình ny có thể xảy ra tất cả hoặc không một chút năng
lợng photon no đợc truyền cho điện tử. Năng lợng m điện tử hấp thụ phải bằng đúng
năng lợng m nó đòi hỏi để kích thích điện tử tới mức năng lợng cao hơn. Ngợc lại,
điện tử ở trong trạng thái kích thích có thể rơi xuống trạng thái thấp hơn, trạng thái thấp
hơn ấy cách nó một năng lợng h bằng đúng năng lợng ny.
Các định luật cơ bản của ánh sáng có liên quan tới sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn
quang l hiện tợng khúc xạ v phản xạ ánh sáng, ta xét một cách sơ bộ nh sau. Vận tốc
của ánh sáng l c = với l tần số ánh sáng v l bớc sóng. Trong không gian tự do
thì c = 2,9979 ì 108 m/s, còn trong các môi trờng trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng l
v sẽ nhỏ hơn c. Khi đó chỉ số chiết suất n của vật liệu đó đợc viết l
n=

c
v

(2-2)

Giá trị chiết suất n của không khí l 1,00 ; của nớc l 1,33 ; của thủy tinh l 1,50 v ở
kim cơng l 2,42 .
Hiện tợng phản xạ v khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trờng hợp có hai môi
trờng khác nhau về chỉ số chiết suất. Nh ta đã biết, các tia sáng đợc truyền từ môi
trờng có chỉ số chiết suất lớn vo môi trờng có chỉ số chiết suất nhỏ hơn thì sẽ thay đổi
hớng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trờng. Các tia sáng khi qua
vùng ranh giới ny bị thay đổi hớng nhng tiếp tục đi vo môi trờng chiết suất mới thì
ta nói tia đó bị khúc xạ, còn các tia no khi qua ranh giới ny lại quay trở lại môi trờng
ban đầu thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 minh họa quá trình phản xạ v khúc xạ ánh
sáng ứng với một môi trờng thứ nhất có chiết suất n1 lớn hơn chiết suất n2 của môi trờng
thứ hai. Theo định luật Snell ta có quan hệ:
n1 sin 1 = n 2 sin 2

(2-3)

với 1 l góc tới - góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trờng với tia tới, 2
l góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trừơng với tia khúc xạ.
Từ phơng trình (2-3) có thể viết tơng tự nh sau:
n1 cos 1 = n 2 cos 2

(2-4)

ở đây, vì n1 > n2 cho nên góc tới 1 ở môi trừơng chiết quang hơn sẽ nhỏ hơn góc khúc
xạ 2 ở môi trờng kém chiết quang hơn. Nếu góc tới 1 lớn dần lên (góc 1 nhỏ đi ) tới
Vũ Văn San

17


hệ thống thông tin quang - chơng 2

một giá trị góc c tạo ra tia khúc xạ nằm song song với ranh giới phân cách hai môi trờng
thì lúc ấy c đợc gọi l góc tới hạn nh mô tả ở hình 2.1 b, lúc ny không tồn tại tia khúc
xạ ở môi trờng thứ hai. Các tia sáng tới có góc 1 lớn hơn góc tới hạn c thì đều bị phản
xạ trở lại. Hiện tợng các tia sáng bị phản xạ trở lại môi trờng ban đầu tại mặt phân cách
hai môi trờng gọi l phản xạ ton phần bên trong.
Pháp tuyến

Pháp tuyến
Tia khúc xạ

n2

n2

2
2

n1

n2 < n1

n2 < n1

1

n1

1

1>c

Tia tới
Tia phản xạ

Tia tới

Tia phản xạ

b)

a)

Hình 2.1. Hiện tợng phản xạ v khúc xạ ánh sáng

ứng với góc tới hạn c thì góc khúc xạ 2 = 900 [6], lúc ny có thể viết thnh
sin c =

n2
n1

(2-5)

Nh vậy, điều kiện để xảy ra phản xạ ton phần l:
- Các tia sáng phải đi từ môi trờng chiết quang hơn (có chỉ số chiết suất lớn hơn) sang

môi trờng kém chiết quang hơn (có chỉ số chiết suất nhỏ hơn).
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Các định luật phản xạ v khúc xạ ánh sáng ở trên l nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc
truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang. ở sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng đợc
truyền dựa vo hiện tợng phản xạ ton phần bên trong.
2.1.2 Sợi quang v các mode truyền dẫn
Sợi quang có cấu trúc nh l một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, nh vậy
nó có dạng hình trụ bình thờng v có chức năng dẫn sóng ánh sánh lan truyền theo hớng
song song với trục của nó. Để bảo đảm đợc sự lan truyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc
cơ bản của nó gồm có một lõi hình trụ lm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1
lớn v bao quanh lõi l một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi v có chiết suất n2 < n1.
Sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi đợc mô tả dới dạng các sóng điện từ truyền dẫn
đợc gọi l các mode trong sợi. Mỗi một mode truyền l một mẫu các đờng trờng điện
v trờng từ đợc lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tơng đơng với bớc
Vũ Văn San

18


hệ thống thông tin quang - chơng 2

sóng. Chỉ có một vi mode riêng biệt no đó l có khả năng truyền dọc theo suốt chiều di
sợi trong số nhiều mode đợc ghép vo tại đầu sợi. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không l môi
trờng truyền ánh sáng nhng nó l môi trờng tạo ra ranh giới với lõi v ngăn chặn sự
khúc xạ ánh sáng ra ngoi, tham gia bảo vệ lõi v gia cờng thêm độ bền của sợi.
Vật liệu cấu tạo ra lõi sợi thông thờng l thủy tinh, còn vỏ phản xạ có thể l thủy tinh
hoặc chất dẻo trong suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu nh vậy thờng có suy hao nhỏ v
trung bình. Loại sợi có lõi l chất dẻo thờng có suy hao lớn v trong thông tin nó không
đợc sử dụng. Để tránh cọ trầy sớc vỏ, sợi quang thờng đợc bao bọc thêm một lớp
chất dẻo. Lớp vỏ bảo vệ ny sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vo sợi, gia cờng thêm cho

sợi, bảo vệ sợi không bị răn lợn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt; mặt khác cũng tạo
điều kiện để bọc sợi thnh cáp sau ny. Lớp vỏ ny đợc gọi l lớp vỏ bọc sơ cấp [7].
Chỉ số
chiết suất
Xung đầu ra

Xung ánh
sáng đầu vo

a) Sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc

b) Sợi đa mode chỉ số chiết suất Gradien

c) Sợi đơn mode

Hình 2.2. Cấu trúc các loại sợi quang.

Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vo sự thay đổi thnh phần chiết suất của lõi sợi
nh mô tả ở hình 2.2 cho cấu trúc các loại sợi dẫn quang. Loại sợi có chỉ số chiết suất
đồng đều ở lõi sợi gọi l sợi có chỉ số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số
chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi v vỏ phản xạ gọi l sợi có chỉ số
chiết Gradiên GI (Graded Index). Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì có loại sợi đa
mode MM (Multimode) v sợi đơn mode SM (single mode). Sợi đa mode cho phép nhiều

Vũ Văn San

19