Tìm hiểu về công nghệ WDM và ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng Đại học vinh
Khoa ĐIệN Tử VIễN THÔNG
===== =====

Đồ áN
tốt nghiệp ĐạI HọC
Đề tài:

tìm hiểu về công nghệ wdm và ứng dụng

Giảng viên hớng dẫn : ThS. lê đình công
Sinh viên thực hiện : nguyễn trọng lộc
Lớp
:
47k - đtvt

Vinh, 2011


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................1
Chương 1. Hệ thống thông tin quang........................................................3
1.1. Khái niệm chung về hệ thống thông tin quang......................................3
1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang........................................................4
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang.......................................................5
1.1.3 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang........................5
1.2. Phân loại hệ thống thông tin quang........................................................6
1.2.1 Phân loại theo dang tín hiệu.................................................................6
1.2.2 Phân loại theo phương pháp …………………………………………6
1.2.3. Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn...........................................7
1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang................................7

1.3.1 Sợi quang.............................................................................................7
1.3.2 Thiết bị phát quang..............................................................................15
1.3.3. Thiết bị thu quang...............................................................................16
1.3.4. Các trạm lặp........................................................................................18
1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh...........................................................................19
1.4. Các tham số của hệ thống thông tin quang............................................19
1.5. Kết luận..................................................................................................21
Chương 2. Tổng quan về hệ thống WDM................................................22
2.1. Cơ sở kỹ thuật WDM.............................................................................22
2.1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................22
2.1.2. Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang..............................23
2.1.3. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh.................................................26
2.1.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.....27
2.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM.................................................31
2.2. Một số tham số kỹ thuật trong WDM....................................................32
2.2.1 Suy hao xen..........................................................................................32


2.2.2 Suy hao xuyên kênh.............................................................................33
2.2.3. Độ rộng kênh và khoảng cách giữa các kênh......................................34
2.3. Các thiết bị quang thụ động trong WDM...............................................39
2.3.1 Các thiết bị WDM vi quang.................................................................41
2.3.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc............................46
2.4. Kết luận chương.....................................................................................57
Chương 3. Một số vấn đề công nghệ then chốt trong WDM...................58
3.1. Ổn định bước sóng của nguồn quang.....................................................58
3.2 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn.............................59
3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.........................................................62
3.3.1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering)..................................62
3.3.2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering)..............................64

3.3.3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation)...........................................65
3.3.4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation)........................................66
3.3.5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing)................................................67
3.3.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến.....68
3.4. Bộ khuếch đại quang sợi EDFA và một................................................69
3.4.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA......................................69
3.4.2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA.........................................................71
3.4.3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA............................72
3.5. Kết luận chương.....................................................................................73
Chương 4. Ứng dụng của hệ thống WDM...............................................74
4.1. Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn……………...........................74
4.1.1. Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lương cao..................................74
4.1.2 Mạng quảng bá ....................................................................................77
4.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập......................................80
4.2.1 Mở đầu ................................................................................................80
4.2.2. Mạng WDMA đơn chặng ..................................................................82
4.2.3 Mạng WDM đa chặng..........................................................................84


4.3 Ứng dụng của wdm trong mạng chuyển mạch quang.............................87
4.4 Kết luận chương......................................................................................88
KẾT LUẬN..................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................91


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu hình của hệ thống thông tin quang........................................4
Hinh 1.2. Cấu trúc sợi quang........................................................................7
Hình 1.3 Hiện tương phản xạ toàn phần trong sợi quang............................8
Hình 1.4 Truyền ánh sáng trong sợi SI........................................................9

Hình 1.5. Quan hệ P(λ)/P phụ thuộc vào λ...................................................12
Hình 1.6. Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao.........14
Hình 1.7. Sơ đồ khối của máy phát quang....................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ khối thiết bị thu quang........................................................17
Hình 1.9. Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang....................................18
Hình 1.10. Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp điện quang..........................19
Hình 2.1. Băng tần truyền dẫn sợi quang......................................................23
Hình 2.2. Ghép kênh theo thời gian..............................................................24
Hình 2.3. Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET.................................25
Hình 2.4. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang....................................29
Hình 2.5. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng một sợi quang.......................29
Hình 2.6. Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp MUX-DEMUX........................31
Hình 2.7.Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và bộ ghép tách hỗn hợp (b)........33
Hinh 2.8. Phân loại các thiết bị WDM..........................................................40
Hình 2.9. Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng.................................41
Hinh 2.10. Cấu trúc của bộ lọc điện môi......................................................41
Hình 2.11. Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc........................................42
Hình 2.12. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao ................42
Hình 2.13. Cấu trúc bộ tách 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa......................43
Hình 2.14. Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều bước sóng.............................44
Hình 2.15. Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế...........................................44
Hình 2.16. Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh.....................................45
Hình 2.17. Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng.........................................45


Hinh 2.18. Tán sắc dùng lăng kính...............................................................46
Hình 2.19. Sử dụng cách tử để tách bước sóng.............................................47
Hình 2.20. Cách tử nhiễu xạ phẳng...............................................................48
Hình 2.21. Phân bổ phổ năng lượng nhiễu xạ bặc một.................................50
Hình 2.22. Cách tử lòng chảo.......................................................................50

Hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo......................51
Hình 2.24. Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc...........................................52
Hinh 2.25. Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM.......55
Hình 2.26. Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1500nm với ............................56
Hình 2.27. Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép .......................................56
Hình 4.1. Tuyến thông tin quang WDM điểm- điểm ...................................74
Hình 4.2. Mạng WDM quảng bá hình sao....................................................78
Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N........80
Hình 4.4. Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa .........................................81
Hình 4.5. Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt......................84
Hình 4.6 . Một mạng đa chặng 8 nút.............................................................85
Hình 4.7. Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet...............86

CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN


Bảng 2.1. Tần số trung tâm danh định..........................................................36
Bảng 2.2. Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh.......39
Bảng 2.3. So sáng độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc............................53
Bảng 3.1. Cự ly hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp..........................60
Bảng 4.1. Một số hệ thống WDM thực nghiệm............................................76


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ATM

Asynchronous Tranfer Mode

Phương thức truyền không
đồng bộ

CDMA
WDM

Code Division Multiplexing
Access

mã

Wavelength Division

Ghép kênh quang theo bước

Multiplexing
CMOS
ISDN

Đa truy nhập phân chia theo

Complementary Metal Oxitde

sóng
Công nghệ dùng để chế tạo

Semiconductỏ

vi mạch tích hợp

Integrated Servicer Digital

Công nghệ mạng băng hẹp

Network
IM/DD

Intensity Modulation with

Hệ thống truyền dẫn thông

Direct Delectinon

tin quang điều chế cường độ

LAN

Local Area Network

Mạng vùng cục bộ

LED

Light Emitting Diode

Diode phát quang

OADM

Optical Add/Drop

Bộ ghép kênh xen/ rẽ

Multiplexer
TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh theo thời gian

SONET

Sychronous Optical Network

Mạng không đồng bộ

SDH

Sychronous Digital Hierarchy

Hệ thống phân cấp số đồng
bộ

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

ISP

Internet Service Provider

Cung cấp các giải pháp kết
nối

OTDM

Optical Time Division

Ghép kênh quang phân chia

Multiplexing

theo thời gian

DCF

Dispersion Compensater fiber

PMD

Polarization Mode Dispersion

Điều chế tự dịch pha


DGD

Differential Group Delay

SRS

Stimulated Raman Scattering

Hiệu ứng SRS

SBS

Stilmulated Brillouin Scattering

Hiệu ứng SBS

SPM

Self Phase Modulation

Hiệu ứng SPM

XPM

Cross Phase Modulation

Hiệu ứng XPM

FWM

Four Wave Mixing

Hiệu ứng FWM

EDFA

Ebrium Doped Fiber

Bộ khuếch đại quang có

TDMA
CDMA
FDMA

Amplifier Ebrium

pha trộn nguyên tố đất hiếm

Time Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo

Access

thời gian

Code Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo

Access

mã

Frequence Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiplexing Access
WDMA

Wavelength Division
Multiplexing Access

tần số
Đa truy nhập phân chia
theo bước sóng


LỜI NÓI ĐẦU

Dưới sự lãnh đạo của Đảng và nhà nước, toàn dân ta đang phấn đấu thi
đua thực hiện công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước. Bằng việc đi tắt đón
đầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tử
viễn thông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta
hướng tới một xã hội thông tin. Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viên
sắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội và thách thức đang mở ra
ở phía trước.
Với nhận thức ấy, bản đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết một phần
kiến thức Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà em
được đào tạo sau gần 5 năm học tập tại trường Đại học Vinh. Đồ án trình bày
về công nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM
(Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc phát
triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đáp
ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai.

Bố cục của đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
Chương 2: Tổng quan về hệ thống WDM
Chương 3: Một số vấn đề công nghệ then chốt trong WDM
Chương 4: Ứng dụng của hệ thống WDM
Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng về
chuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sự
dìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông trường
Đai Học Vinh. Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Lê Đình Công


Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em rất nhiều
trong qúa trình hoàn thành bản đồ án này. Em mong rằng sẽ nhận được nhiều
đóng góp của các thầy cô và bạn bè cho bản đồ án, để các nghiên cứu sâu hơn
sau này đạt kết quả tốt hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Lộc


Chương 1
Hệ thống thông tin quang
1.1. Khái niệm chung về hệ thống 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 sáng
được truyền qua sợi quang. Tại nơi thu nó lại được biến đổi thánh thông tin
ban đầu [2].
1.1.1 Sự 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 và màu sắc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống

thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng làm
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 dẫn và do đó chịu ảnh hưởng
của thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô
tuyến dùng để liên lạc giữa 2 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 hao thấp(1000dB/Km).Bốn năm
sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn
khoảng 20dB/Km. Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên thế giới
đã tiến hành nghiên cứu và phát triển. Kết quả đạt được là công nghệ mới về
giảm suy hao truyền dẫn, về tăng giải thông,về các laze bán dẫn đã đựoc phát
triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn
0,18dB/Km còn 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.
Dựa trên công nghệ sợi quang và laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối
lượng lớn các tin hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ xa hàng trăm Km bằng
một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần cần các bộ tái tạo [2].


1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang
Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang:
* Bộ biến đổi điện-quang (E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành
tín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang(biến đổi xung điện
thành xung quang)
* Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng được
chế tạo bằng các chất có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh,
sợi thuỷ 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)
* Biến đổi quang thành điện(O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao
và méo dạng trên đường truyền dẫn do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để
biến đổi thành tin hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu.
Yêu cầu: Độ nhạy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh,nhiễu nhỏ tiêu thụ
năng lượng ít.
* Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm
lặp biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi khuếch đại lên. Tín hiệu
khuếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang rồi truyền đi tiếp trên tuyến
cáp sợi quang [2].


1.1.3 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
a, Ưu điểm
* Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và
ngược lại nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng đến thiết bị
xung quanh. Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không bị nghe lén
được. Tin tức được đảm bảo bí mật.
* Giá thành của hệ thống truyền dẫn bằng kim loại đắt hơn so với cáp
sợi quang.
* Độ cách điện cao đến hàng ngàn volt giữa trạm phát và trạm thu tín
hiệu.
* Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều
nhỏ nhẹ.
* Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh
kiện, IC Lozic TTC và CMOS.
* Truyền t ín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có thời gian
trễ như ở thông tin vệ tinh.

* Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay
Time - Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10Ghz.
b, Nhược điểm.
- Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp cáp kim loại
- Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên
trong sợi quang.
- Khi có nước hơi ẩm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chóng bị hỏng và các
mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao.
- Do 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.


- Không thể truyền mã lưỡng cực.
c, 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).
1.2. Phân loại hệ thống thông tin quang [1]
1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu
Tuỳ thuộc loại tín hiệu điện đưa vào nguồn quang là tín hiệu tương tự
hay tín hiệu số mà ta có:
+ Hệ thống thông tin quang tương tự
+ Hệ thống thông tin quang số
Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hoá nên chủ yếu hiện
nay chỉ sử dụng hệ thống thông tin quang số, chỉ còn một số mạng đặc thù là
vẫn còn dùng hệ thống thông tin quang tương tự. Ví dụ như hệ thống truyền
hình cáp.
1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu

quang
+ Hệ thống thông tin quang kết hợp( Coherrent): hệ thống này sử dụng
phương thức điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điện
đưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầu
thu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần. Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộn
quang trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ra
tín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi.
+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầu
phát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của
nguồn quang. Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu
quang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi.


1.2.3. Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn
+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống
có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung
kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN.
+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến
140Mb/s.
+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn rất lớn, tốc độ truyền dẫn lớn hơn
140Mb/s sử dụng cho các hệ thống thông tin đường dài, trong mạng lõi.
1.3. Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang[1]
1.3.1 Sợi quang.
a, Cấu tạo và phân loại sợi quang
Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinh
hoặc sợi tổng hợp để truyền ánh sáng.

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang
Tùy theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể phân loại
sợi quang theo nhiều cách khác nhau.

Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang:
+ Sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh.


+ Sợi quang làm bằng thuỷ tinh hỗn hợp.
+ Sợi quang làm bằng chất dẻo.
Phân loại theo phân bố chiết suất:
+ Chiết suất nhảy bậc .
+ Chiết suất biến đổi.
Phân loại theo modem truyền lan:
+ Sợi đơn mode.
+ Sợi đa mode
Trong hệ thống thông tin đường trục sợi quang thường được sử dụng là
loại sợi đơn mode chiết suất bậc(SMSI). Để có được sợi đơn mode phải thỏa
π .d

mãn điều kiện sau: V<2.045Trong đó V= λ . ( n 21 − n2 2 ) 2 , d là đường kính
o
1

quang, λo là bước sóng truyền trong sợi quang.
b. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng
phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong
suốt có chiết suất khác nhau. Khi cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết
suất n1 vào môi trường chiết suất n 2 (n1>n2) thì tại mặt phân cách giữa hai môi

trường xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như hình 1.3. Dựa vào hiện
tượng phản xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang
với suy hao thấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n 2 là chiết suất của
phần vỏ sợi quang.
Quan hệ giữa góc tới θ t , góc khúc xạ θ k với các chiết suất n1 và n2 tuân
theo định luật khúc xạ (tia số 1) :
n1.sin θ t =n2.sin θ k

(1.1)

Khi tăng góc tới θ t đến một giá trị θ 0 nào đó thì tia khúc xạ không đi
vào môi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách hai môi
trường (tia số 2), góc θ 0 được xác định tương ứng với θ k =90

0

, do vậy:

n1.sin θ 0 =n2.sin θ k =n2.sin900=n2 ⇒ sin θ 0 =n2/n1
θ 0 =arcsin(n2/n1)

(1.2)
(1.3)

Nếu tiếp tục tăng góc θ t > θ 0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiện tượng
phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc θ 0 gọi là góc tới hạn. Người ta ứng
dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang khi đó
ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt
phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang. Để biểu diễn và phân tích sự truyền
dẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quang

hình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng. Chính xác nhất là sử
dụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp.
Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình
1.4

Hình 1.4. Truyền sóng ánh sáng trong sợi SI
Theo định luật khúc xạ ta có:


n0.sin θ i =n1.sin θ r

(1.4)

Trong đó n0 là chiết suất của không khí, θ i là góc tới, θ r là góc khúc xạ,
a là bán kính lõi sợi quang. Giả sử θ 0 là góc tới hạn, nếu θ > θ 0 thì tia sáng đi
vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợi quang mà
không đi ra ngoài. Theo công thức 1.3 ta có θ 0 = arcsin(n2/n1) khi đó góc khúc
xạ tương ứng với góc tới hạn θ 0 là θ r 0 = 900 - θ 0 . Do vậy góc tiếp nhận θ i 0 tới
hạn sẽ thoả mãn điều kiện:
n0.sin θ i 0 = n1.sin θ r 0 = n1.sin(900 - θ 0 ) = n1.cos θ 0
=> n0.sin θ i 0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = n12 − n22 = NA

(1.5)

Vì chiết suất của không khí n0 = 1, nên:
NA= sin θ i 0 =

n12 − n22

(1.6)

NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợi
quang θ i 0 sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của
sợi quang với góc θ i > θ i 0 nằm ngoài hình nón sẽ không truyền trong lõi mà đi
ra ngoài vỏ sợi quang. Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi
truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ và truyền
dọc theo sợi quang theo đường dích zắc .Gọi ∆ là độ lệch chiết suất tương đối
ta có:
∆=

n1 − n 2
n1

(1.7)

n12 − n 22 (n1 − n 2 ).(n1 + n 2 ) 2n1 (n1 − n 2 )
=
≅
= 2∆
Thực tế n1 ≅ n2 và khi đó:
n12
n12
n12

=>NA=n1. 2.∆

(1.8)

c. Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
* Các mode trong sợi quang.

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xác định được các thành phần
sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Nghiệm riêng của phương trình sóng
gần đúng với các sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là các


mode truyền trong sợi quang. Người ta chỉ quan tâm đến các mode truyền dẫn
và mong muốn trong sợi quang chỉ tồn tại mode truyền dẫn. Trong một sợi
quang có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan. Số mode phụ thuộc vào
đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở số NA. Ta có thể
xác định số cực đại mode trong sợi quang MMSI theo công thức sau[1]
1
2

N mod = .V 2

(1.9)

* Tán sắc sợi quang.
Khi truyền dẫn tín hiệu số qua sợi quang xuất hiện hiện tượng dãn rộng
các xung ánh sáng ở đầu thu. Hiện tượng này gọi là tán sắc trong sợi quang.
2
2
Độ tán sắc trên một đơn vị dài = t 2 − t 1

L

(1.10)

Trong đó L là chiều dài sợi quang, t1 là độ rộng xung vào ở mức
công suất, t2 là độ rộng xung ra ở mức

1
2

1
công suất.
2

Các nguyên nhân gây nên hiện tượng tán sắc trong sợi quang có thể liệt
kê như sau:
- Tán sắc vật liệu.
Trong thực tế chế tạo sợi quang chiết suất vật liệu không phải là hằng
số mà là hàm số theo bước sóng mà n = n( λ ). Nếu nguồn quang bức xạ phát
ra ánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng λ0 thì không có sự lệch thời gian
truyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc ν
c

= n =const. Tuy nhiên LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiều bước sóng
λ

khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc vật liệu. Hình 1.5 mô tả ánh sáng bức
xạ của LED và Laser diode.


P(λ)/Pmax

1

0.5

∆λ Laser 1-2 nm

λ

∆λ LED 30-40 nm

Hình 1.5 Quan hệ P( λ )/Pmax phụ thuộc vào λ
Độ dãn xung τ vl bởi nguồn sáng có độ rộng phổ xác định ∆λ với bước
sóng trung tâm λ0 là:
2
τ vl = L.λ0 ∆λ d n(λ )
c
dλ2

(1.11)

Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong chân không.
- Tán sắc mode
Chỉ đáng kể ở sợi đa mode, tán sắc mode là do các thành phần sóng
truyền theo các mode khác nhau qua sợi với khoảng thời gian khác nhau dẫn
đến dãn rộng xung.
Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:
L
τ mod = (n1 − n2 )
c

(1.12)

Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:
τ mod = L.n1∆

8.c

2

(1.13)

- Tán sắc đường truyền
Sự truyền dẫn các mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lệ d/ λ . Các mode
truyền dẫn với λ khác nhau gây tán sắc. Khi d lớn dẫn đến tán sắc nhỏ. Khi d
nhỏ một phần ánh sáng còn được dẫn trên vỏ sợi quang gây tán sắc lớn. Loại
tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.


- Tán sắc mặt cắt
Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo λ mà độ chênh chiết
suất vỏ - lõi cũng biến đổi theo λ gây tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt. Độ dãn
xung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chế
tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang.
Suy hao sợi quang
Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu.
Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy hao
trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang.
- Suy hao trong sợi quang
Là suy hao do bản chất của sợi quang. Là tham số đóng vai trò quan
trọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát và
phía thu. Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do
tán xạ và suy hao do bức xạ. Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số
suy hao α và được tính theo công thức sau:
10

P 

in
α = L log P 
 out 

(1.14)

Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là công suất quang đầu vào,
Pout là công suất quang đầu ra, α được tính theo dB/km. Suy hao trong sợi
quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh.
- Suy hao do hấp thụ vật liệu
Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản
chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:
+ Hấp thụ do tạp chất
+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi
+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử
- Suy hao do tán xạ
Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ. Đó là do
có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặc


các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang. Ánh sáng truyền trong
sợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh
chỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán
xạ. Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước sóng (λ4).
Hình 1.6 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đối
với sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO2. Từ đó ta xác định được
ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ gọi là ba vùng truyền dẫn.
Vùng 1: Suy hao chủ yếu do tán xạ, một phần do hấp thụ, có bước sóng

trong dải λ = 0,8 ÷ 0,9µm, α = 2÷ 3 dB/km. Được sử dụng trong các mạng
LAN, các đường thuê bao số dịch vụ băng rộng. Bước sóng trung tâm là λ =
0,85µm.
Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải λ = 1,2 ÷
1,35µm, α = 0,3 ÷ 0,5 dB/km. Được sử dụng trong các đường trung kế. Bước
sóng trung tâm là λ = 1,3µm.
Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng λ = 1,5 ÷
1,7µm, α = 0,15 ÷ 0,25 dB/km. Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc độ
truyền dẫn lớn. Bước sóng trung tâm là λ = 1,55µm. Đây là vùng bước sóng

Suy hao (dB/Km)

được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang.

Thùc
nghiÖm
HÊp thô hång
ngo¹i
T¸n x¹ Rayleigh
HÊp thô cùc tÝm
Sù kh«ng hoµn h¶o
cña sîi quang

B íc sãng (µm)

Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao


- Suy hao do uốn cong sợi
Là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kì một sợi quang nào bị uốn

cong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gây
nên suy hao tín hiệu. Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốn
cong vi mô. Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tới
lớn hơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong.
+ Uốn cong vĩ mô:
Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đường
kính sợi. Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn.
+ Uốn cong vi mô:
Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợp
này hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp.
1.3.2 Thiết bị phát quang
Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thống
thông tin quang. Với nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu đầu vào biến đổi thành
tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp để truyền đi.
Sơ đồ khối máy phát quang được mô tả như hình vẽ 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ khối của máy phát quang
Các thành phần của một máy phát quang:
a. Bộ điều khiển
Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp một năng lượng
điện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó. Các mạch này thường khá
đơn giản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phát quang(LED)
nhưng lại khá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụng


nguồn quang là bán dẫn laser, bởi vì nguồn phát quang sử dụng bán dẫn laser
mạch điện điều khiển cần cung cấp một điện áp cố định và mạc ổn định điểm
làm việc và ổn định nhiệt cho laser.
b. Nguồn quang
Là thành phần chủ yêú nhất của máy phát quang. Các nguồn được sử

dụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn (LD). Đây là
nguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao,
dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi và
khả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao.
Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợp với
các hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợi
quang đa mode. Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là các
cấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép. Căn cứ vào
nhiều yếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vật
liệu chế tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho các
vùng bước sóng khác nhau.
Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong hệ thống thông tin
quang có tốc độ cao như các mạng thông tin đường trục. Thực tế sử dụng
trong hệ thống hiện nay là các loại LD có cấu trúc dị thể. Do nhu cầu phải
phát tia laser nên cấu trúc của LD phức tạp hơn so với LED.
c. Bộ điều chế
Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệ
thống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài.
d. Bộ nối vào kênh quang
Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ
có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớn
nhất có thể.
1.3.3. Thiết bị thu quang
Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong
hệ thống thông tin quang. Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tín