Triển khai truyền dẫn WDM trên tuyến cáp quang trục bắc nam luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN
WDM TRÊN TUYẾN CÁP
QUANG TRỤC BẮC - NAM
Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp

: ThS. Nguyễn Phúc Ngọc
: Hồ Công Dũng
: 48K-ĐTVT

Nghệ An 1/2012


MỤC LỤC
Trang
2.2.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng.............................................32

MỞ ĐẦU
Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển
mạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện
thiết yếu để phát triển kinh tế. Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyển

biến tích cực, hòa nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới. Xu thế
toàn cầu hóa về thương mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thông
tin thõa mãn những nhu cầu và dịch vụ.
Để tạo ra một cở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông, hệ
thống truyền dẫn này ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực. Từ
khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với
băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác. Các hệ thống truyền
dẫn hiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang. Do
việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp

2


nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng
cách tăng tốc độ tín hiệu quang.
Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo
bước sóng(WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang,
khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện. Phương pháp ghép
kênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung
lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cap quang hiện tại.
Với hàng loạt ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng được nghiên cứu áp
dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên
quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ. Hiện công nghệ này
đang được nghiên cứu áp dụng nhiều ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, hệ thống
truyền dẫn đường trục Bắc-Nam của nước ta hiện đang được nghiên cứu để áp
dụng công nghệ này.Ghép kênh theo bước sóng là một công nghệ mới, đã
được áp dụng tại một số nơi trên thế giới. Muốn áp dụng công nghệ này vào
thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý
của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin
quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của nó, các ưu khuyết điểm

của hệ thống này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại. Đây cũng chính là mục
đích của đề tài nghiên cứu.
Trong khuôn khổ của một đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng trong
thực tế, với mong muốn giới thiệu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo
bước sóng, em tìm hiểu và phân tích nguyên nhân hình thành WDM, các tham
số và các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống và cuối cùng
xây dựng phương án ghép kênh quang theo bước sóng cho tuyến trục Bắc –
Nam.
Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong
các bạn cùng quý thầy cô đóng góp thêm ý kiến để em hoàn thiện hơn trong
đồ án.
Đồ án được chia làm 3 chương:
3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI
Chương 2: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC
SÓNG WDM
Chương 3: TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN WDM TRÊN TUYẾN CÁP
QUANG TRỤC BẮC- NAM
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TH.S Nguyễn Phúc
Ngọc cùng các bạn trong nhóm đồ án đã giúpđỡ em trong quá trình làm đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM hiện đang được áp dụng
rộng rãi trên toàn thế giới và sẽ trở thành phương tiện để thúc đẩy sự phát
triển của kỹ thuật thông tin quang trong tương lai. Kỹ thuật WDM có thể ghép
nhiều bước sóng, tận dụng băng thông rất rộng và khả năng dẫn sóng của sợi
được những yêu cầu về truyền dẫn tốc độ cao.

Có nhiều phương pháp ghép kênh như ghép kênh theo thời gian, tần số…
các thiết bị WDM được cải tiến về công nghệ và đạt được những chỉ tiêu kỹ
thuật tốt.Một số thiết bị WDM khác như bộ ghép kênh xen rẽ, bộ khuếch đại
quang, bộ nối chéo quang…được sử dụng để ghép/tách các bước sóng khác
nhau.
Để nâng cấp dung lượng truyền dẫn trên tuyến đường trục Bắc – Nam, sử
dụng công nghệ WDM có nhiều ưu điểm nhất. Do đó, WDM sẽ là phương
4


pháp được sử dụng để nâng cấp dung lượng tuyến đường trục và phát triển hệ
thống thông tin cáp sợi quang ở Việt Nam.

DANH SÁCH HÌNH VẼ
2.2.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng.............................................32

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
2.2.2. Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng.............................................32

5


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM

Add Drop Multiplexer

Bộ kênh xen rẽ

APD

Avalanche Photo Diode

Điốt quang thác

AWG

Arreyd Waveguide Grating

Cách tử dẫn sóng theo hàng

BA

Booster Amplifier

Khuếch đại công suất

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BPF

Band pass Filter

Bộ lọc thông dải

DCD

Dispersion Compensation Divide

Thiết bị bù tán sắc

DEMUX

Demultiplexer

Bộ giải ghép kênh

6


DFB

Distributed feedback

Hồi tiếp phân tán

DWDM

Dense wavelength division Multiplexing

WDM mật độ cao

E/O

Electrical Optical Converter

Bộ biến đổi điện-quang

EDF

Erbium Doped Fiber

Sợi quang pha Erbium

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

FWM

Four Wave mixing

Bộ khuếch đại quang pha
Erbium
Trộn bốn bước sóng

ITU

International Telecommunication Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế

LA

Line Amplifier

Khuếch đại đường truyền

LD

Laser Diode

Điốt laze

LED

Light emiting Diode

Điốt phát xạquang

LWPF

Long Wavelength Pass Filter

Bộ lọc bước sóng dài

MULDEX Multiplexer/Demutilplexer

Bộ ghép/tách kênh

MUX

Mutilplexer

Bộ ghép kênh

NRM

Network Resoucer Manangement

Quản lý tài nguyên mạng

OADM

Optical Add Droop Mutilplexer

Bộ ghép quang xen rẽ

OFDM

Optical Fryquency Division Multiplexing

Ghép kênh quang theo tần số

OSC
OTDM
OXC
PA
PE
PDM
S/N
SBS
SDH
SPM
SRS
SWPE

WDM
XPM

Optical Supervisory Channel
Optical Time Division Multiplexing
Optical Cross connect
Pre Amplifier
Power Equalizer
Polarization Mode Dispersion
Signal to Noise ratio
Stimulated Brillouin Scattering
Synchronous Digital hierarchy
Self Phase modulation
Stimulated Raman Scattering
Short Wavelength Pass Filter
Wavelength Division Multiplexing
Cross Phase modultion

Kiểm tra tín hiệu quang
Ghép kênh quang theo thời gian
Bộ nối chéo quang
Tiền khuếch đại
Bộ cân bằng công suất
Tán sắc, mode phân cực
Tỉ số tín hiệu/tạp âm
Tán xạ Brillouin
Cấp truyền dẫn số đồng bộ
Tự điều chế pha
Tán xạ Raman
Bộ lọc bước sóng ngắn

Ghép kênh theo bước sóng
Điều chế pha chéo

7


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang sợi
Các hệ thống thông tin thực hiện chức năng truyền tin tức từ nơi này đến
nơi khác. Thông tin thường được truyền đi nhờ các sóng mang có tần số có
thể từ vài MHz đến hàng trăm THz. Với thông tin quang từ các tần số có
mang tải thông tin cao cỡ 100THz, trong dải ánh sáng nhìn thấy hoặc dải
hồng ngoại.
Về cơ bản tổ chức hệ thống thông tin quang cũng tương tự như hệ thống
thông tin khác như vô tuyến, viba, cáp kim loại và vệ tinh chỉ khác ở các hệ
thống con về phía phần quang và môi trường truyền dẫn. Một hệ thống thông
tin quang bao gồm: phần phát quang, phần truyền dẫn quang, phần thu quang.
Cấu hình hệ thống thông tin quang được mô tả như Hình 1.1

8


Hình 1.1. Cấu hình hệ thống thông tin quang sợi
Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển
phát quang.
Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và
mạch khôi phục tín hiệu.
Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạm
lặp, các trạm tách và gộp quang.
Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang

có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED). Tín hiệu quang
phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của
tín hiệu điện vào. Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự.
Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu
quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang.
Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế

9


tạo phần tử phát. Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến
900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ơ vùng 1100 nm đến 1600 nm.
Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền
dọc theo sợi dẫn quang. Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang có thể bị
suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu
tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc. Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy
hao sợi quang theo bước sóng.
Sợi quang được làm từ SiO2 và có ba cửa sổ truyền dẫn ứng với các bước
sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Suy hao tại 3 vùng cửa sổ bước sóng trên
là thấp nhất. Vì vậy truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu là sử dụng các bước
sóng ở cửa sổ này.
Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần
phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu. trạm lặp gồm các
thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và biến đổi điện - quang và
tiếp tục truyền vào sợi quang. Các trạm lặp này có thể thay thế bằng các bộ
khuếch đại quang.
Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh
phục hồi. Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát,
biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thường sử
dụng các photodiode PIN hoặc APD. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu

quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở
một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép.
1.2. Phân loại hệ thống thông tin quang
1.2.1. Phân loại theo dạng tín hiệu
Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến 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

10


Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay
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
Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu
thu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:
+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụng
phương pháp 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
1.3.1. Sợi quang
1.3.1.1. Cấu tạo, phân loại sợi quang

11


Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinh
hoặc sợi tổng hợp để truyền ánh sáng. Cấu trúc của các loại sợi quang cho
trong Hình 1.2. Tuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể
phân loại sợi quang theo nhiều cách khác nhau.

Sợi đa mode chiết suất
biến đổi SI-MM

Hình 1.2. Cấu trúc các loại sợi quang
Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: sợi quang làm bằng thuỷ tinh
thạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo.
Phân loại theo phân bố chiết suất: chiết suất nhẩy bậc, chiết suất biến đổi.
Phân loại theo mode truyền lan: sợi đơn mode, sợi đa mode [6].
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 thoả
mãn điều kiện sau: V < 2.045

π .d

Trong đó V= λ . ( n 21 − n2 2 ) 2 , d là đường kính lõi sợi quang, λo là bước
o
1

sóng truyền trong sợi quang.
1.3.1.2. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng
12


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 n 1
vào môi trường chiết suất n2 (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)

13


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)

14


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 dịch rắc .Gọi ∆ là độ lệch chiết suất tương đối
ta có:
∆=

n1 −n 2
n1

(1.7)

Thực tế n1 ≅ n2 và khi đó:

n12 − n22 (n1 − n2 ).(n1 + n2 ) 2n1 (n1 − n2 )
=
≅
= 2∆
n12
n12
n12
=>NA=n1. 2.∆

(1.8)

1.3.1.3. 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 [2]
N mod =

1
.V 2
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.

15


Độ tán sắc trên một đơn vị dài =

t 2 2 − t 21
L

(1.10)

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

1
công
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.

1

P(λ)/Pmax

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:
16

τ vl = L.λ0 ∆λ d
c

n(λ )
dλ 2

2

(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:

τ mod = L (n1 − n2 )
c

(1.12)

Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:

τ mod

L.n1∆2
=
8.c

(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

17

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:
α=

10  Pin
log
L
 Pout





(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
18


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÷0,25dB/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:

19


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. Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổi
thành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp. Sơ đồ khối máy phát
quang được mô tả qua Hình 1.7.

Hình 1.7 Các thành phần của một máy phát quang

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 hiệu
trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạng ban
đầu. Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên nó
sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động của
thiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyền
dẫn. Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độ
nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao. Cấu hình
của một thiết bị thu quang được mô tả qua Hình 1.8

20


Các mạch
điện tử

Tín hiệu
quang

Nối vào
kênh

Tách sóng
kênh

Giải điều
chế

Tín hiệu

điện

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang
1.3.4. Các trạm lặp
Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự ly truyền dẫn dài, số trạm
lặp tuỳ theo khoảng cách cự ly truyền dẫn, loại điện quang. Ta có sơ đồ khối
của trạm lặp như sau:

Sợi quang

Biến đổi
O/E

Khuếch đại
và sửa méo

Biến đổi Sợi quang
E/O

Hình 1.9 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang
Tín hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang điện (O/E) để biến đổi
thành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa méo để
khôi phục lại cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ biến đổi
điện quang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang. Hình 1.10 thể
hiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang.
Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng
bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường
dây pha tạp Eribum (EDFA). Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần
quá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu
quang.

21


T¸i sinh T¸i sinh
biªn ®é ®é réng

SQ
K§

KÝch
thÝch

SQ

K§,San B»ng

Khèi nghiÖp
vô

Kh«i phôc
Clock

§iÒu khiÓn
Laser

Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang.
1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh
Do nhu cầu của người sử dụng nên trên đường truyền tại một số nơi cần
lấy thông tin hoặc cần truyền thông tin đi, nên các trạm xen – rẽ được sử dụng

để lấy thông tin trên luồng hoặc ghép thêm kênh thông tin cần truyền vào
đường truyền chung. Tại các trạm xen/rẽ luồng thông tin có thể được hạ
xuống tốc độ phù hợp. Việc xen/rẽ kênh được thực hiện thông qua các thiết bị
ghép kênh điện (ADM Add/Adaptation layer – Bộ ghép kênh xen rẽ). Tuy
nhiên gần đây người ta sử dụng các thiết bị xen/ rẽ kênh quang (OADM
Optical Add/Drop Multiplexer – bộ ghép kênh xen/rẽ quang), thiết bị này cho
phép tách ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang mà không cần thông qua
quá trình biến đổi O/E và E/O như trong thiết bị ADM.
1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang cũng có một số các tham số nhất định để cho
quá trình thu cũng như phát tín hiệu quang được đảm bảo. Thông thường
người ta quan tâm tới các tham số chính sau:
1.4.1. Các tham số điện quang
+ (S/N)e và (C/N)e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tỉ số sóng mang trên
nhiễu được đo và xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là
tỉ số của điện áp, dòng điện hoặc công suất điện. Tham số tỷ lệ lỗi bit BER
của hệ thống truyền dẫn số luôn được đo sau bộ tách sóng quang tương ứng
với tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N.
22


+ Độ rộng băng tần điện (BW)e là khoảng tần số trong đó đáp ứng
của tín hiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dòng điện hay điện áp nằm trong giới
hạn xác định.
+ (S/N)O và (C/N)O là tỉ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo
và xác định tại cổng quang của hệ thống tương ứng.
+ Độ rộng băng tần quang (BW) O là khoảng tần số mà tại đó mức
công suất quang nằm trong giới hạn xác định.
1.4.2. Các tham số quang
+ Công suất yêu cầu tối thiểu của nguồn quang: Mỗi thiết bị trên

đường truyền luôn có tổn hao nhất định và có thể biểu diễn bằng một hàm
truyền:
Pra

L(dB)=10lg P

(1.15)

vao

Trong đó Pra và Pvao là công suất ra và công suất vào của từng thiết bị,
độ tổn hao của toàn tuyến bằng tổng tổn hao của các thành phần trong hệ
thống.
Để nhận biết được mối quan hệ của công suất phát P s và độ nhạy máy
thu PD thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng µw có thể đưa về
biểu diễn qua đại lượng dB trong thang đo logarit theo các biểu thức sau:
Ps(dBm)=10lg

Ps ( µw)
1mw

(1.16)

PD(dBm)=10lg

PD ( µw)
1mw

(1.17)

Vì vậy phương trình cơ bản của toàn tuyến : PS−PD=ΣL+Pdự trữ
Muốn tuyến truyền dẫn hoạt động tốt thì hiệu công suất lối ra của máy
phát và độ nhạy máy thu phải lớn hơn tổng suy giảm trên toàn tuyến, ngoài ra
cũng cần phải có một lượng đự trữ công suất cho toàn tuyến.
1.4.3. Độ tổn hao của tuyến

23


Độ tổn hao của tuyến có thể chia ra làm hai thành phần như đã được
trình bày ở phần trước mà trong đó ta chủ yếu quan tâm tới suy hao do bản
thân sợi quang. Độ suy hao được xác định qua hệ số α (dB/km).
1.5. Giới thiệu một số loại sợi quang mới
1.5.1. Nguyên tắc tạo sợi quang mới.
Qua khảo sát người ta nhận thấy suy hao của các sợi quang nhỏ nhất là
ở vùng bước sóng 1550nm và lớn ở vùng bước sóng 1300nm, tuy nhiên tại
vùng bước sóng 1550nm thì tán sắc lại là lớn và ở vùng bước sóng 1300nm
thì tán sắc lại là nhỏ nhất. Một câu hỏi đặt ra là tại sao không kết hợp các yếu
tố trên để tạo ra một loại sợi quang có giá trị suy hao và tán sắc là tối ưu nhất?
Biện pháp được lựa chọn là điều chỉnh các tham số cơ bản của sợi nhằm dịch
chuyển tán sắc tối thiểu tới bước sóng có suy hao nhỏ. Do chủ yếu sợi triển
khai trên đường trục là sợi đơn mode nên người ta chỉ hướng tới nghiên cứu
về sợi đơn mode.
Đối với sợi quang đơn mode thì chỉ có tác động của tán sắc vật liệu và
tán sắc dẫn sóng. Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và khó có thể
thay đổi được nhiều, chỉ có tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đường
kính với bước sóng công tác và độ chênh chiết suất. Căn cứ vào đặc điểm đó
cùng với ý tưởng ở trên người ta nghiên cứu và đề xuất ra hai cấu tạo sợi là
sợi có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng. Hình 1.11 mô tả biến thiên
chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode: sợi tiêu chuẩn (sợi đơn mode thông

thường G.652) có tán sắc tối ưu tại bước sóng 1300nm, sợi có tán sắc dịch
chuyển và sợi có tán sắc phẳng.

24


Hình 1.11 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính
1.5.2. Các loại sợi quang mới
Trên cơ sở những phân tích ở trên thì người ta đã thiết kế và chế tạo
được hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trên các hệ thống thông tin
quang, đó là sợi quang đơn mode có tán sắc dịch chuyển (DSF) và sợi quang
đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển
khác không (NZ-DSF).
+ Sợi DSF có bước sóng trung tâm gần bước sóng 1550nm mà tại đó
tán sắc bằng không. Sợi này có suy hao và tán sắc rất nhỏ.
+ Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc nhỏ nhưng
không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm. Sợi này có giá trị suy hao
tương tự như sợi đơn mode thông thường nhưng tán sắc rất nhỏ. Ưu điểm nổi

25