Ghép kênh theo bước sóng WDM

Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

Sinh viên thực hiện

: PHẠM NGỌC QUANG

Lớp

: 46K . ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn : KS. NGUYỄN THỊ KIM THU

1

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
Vinh, 5 - 2010

Mục Lục

Lời nói đầu
Đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hoá, hiện đại hoá, với xu thế
hội nhập kinh tế quốc tế. Sự phát triển của các doanh nghiệp, các ngành nghề là hết
sức quan trọng, đóng vai trò tiên quyết cho sự vững bước đi lên của đất nước.
Ngành Điện tử - Viễn Thông Việt Nam, một trong những ngành có vai trò quan
trọng trong kết cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc dân cũng đang có sự đóng góp
lớn lao cho sự lớn mạnh của nền kinh tế, ổn định chính trị và an ninh quốc phòng nước
nhà. Lượng thông tin muốn trao đổi ngày càng nhiều lên, các phương pháp truyền
dẫn cũ không thể đáp ứng được hết nhu cầu của người dùng . Vì lẽ đó một phương
pháp truyền dẫn mới ra đời khác biệt hoàn toàn so với phương pháp cũ , đó là truyền
dẫn thông tin dựa vào các đặc tính của ánh sáng mở ra một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên
xã hội thông tin . V ới mong muốn được tìm hiểu tiếp cận với loại hình truyền dẫn ưu
việt này nên em đã chọn đề t ài
Trong đồ án tốt nghiệp này em xin trình bày v ề các phần sau
- Ch ư ơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
- Ch ư ơng II : Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng
- Chương III: Tìm hiểu việc khảo sát đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao
dung lượng cáp quang
- Về phần thực tế
+ Triển khai truyền dẫn WDM tr ên tuyến cáp quang trục Bắc Nam
2

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
+ Dự báo nhu cầu về dung lương tuyến thông tin quang
+ Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam
+ Các phương án tăng dung lượng

Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Kim Thu rất nhiều người đã hướng dẫn chỉ bảo em
rất nhiều trong việc hoàn thành đồ án này . Cảm ơn các thầy cô trong khoa đã dẫn
dắt em để em có được ngày hôm nay
Sinh viên : Phạm Ngọc Quang
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1
2
3
4
5

BER

Bit Error Ratio

Tỉ lệ lỗi bít

DFA

Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại sợi quang
trộn

DXC

Digital Cross Connect

Bộ nối chéo số

EDF
EDFA

Erbium Doped Fiber
Erbium Doped Fiber Amplifier

Sơi quang trộn Erbium
Bộ khuếch đại sợi
Erbium

6

FDM

Frequence
Division Multiplexing

7
8
9
10
11

12

13

MS-SPRING Multiplex Secsion Share Protection
OA
OADM

OC

Ring
Optical Amplifier
Optical Add / Drop Multiplexer
Optical Channel

Ghép kênh phân chia
theo tần số
Vòng bảo vệ luồng
đoạn ghép kênh
Khuếch đại quang
Bộ tách / xen quang
Kênh quang

ODM

Optical Demultiplexer

Bộ tách bước sóng
quang

OTR

Optical Terminal Repeater

Trạm lặp chuyển tải
quang

OFA

Optical Fiber Amplifier

Bộ khuếch đại quang
3

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
sợi
14

OSA

Optical Signal Amplifier

Khuếch đại tín hiệu
quang

OSC

Optical Supervisor Channel

Kênh giám sát quang

16

OSNR

Optical Signal Noise Rate

17

OTDM

Optical Time Division Multiplexing

18
19
20

OXC
SDH

Optical Cross Connect
Synchronous Digital Hierarchy

Tỷ số tín hiệu trên tạp
âm quang
Ghép kênh quang phân
chia theo thời gian
Nối chéo quang
Phân cấp số đồng bộ

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

15

21

TDM

22
23

WADM
WDM

24
25

SRS
PA

Time Division Multiplexing
Wavelength Add/Dorp Multiplexer
Wavelength Division Multiplexing
Stimulated Raman Scattering
Pre- Amplifer

Ghép kênh theo thời
gian
Bộ xen/ rẽ bước sóng
Ghép kênh phân chia bước sóng
Tán xạ bị kích Raman

Bộ tiền khuếch đại

4

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quan
Thông tin quang là hình thức thông tin giữa các điểm thu và phát thông tin trong
đó tín hiệu được truyền dẫn nhờ sóng điện từ ở dải quang học là ánh sáng (nhìn thấy
hoặc hồng ngoại).
Có hai hình thức thông tin quang là thông tin quang không định hướng (unguide)
và thông tin quang định hướng(guide).
Thông tin quang không định hướng là hình thức truyền thông tin bằng ánh sáng
trong môi trường truyền dẫn là không gian khí quyển trái đất hoặc trong vũ trụ và sử
dụng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng trong khoảng 0,78 µm ÷ 0,37 µm
Hình thức thông tin quang này là dạng truyền thống đã được con người sử dụng
từ rất sớm và hiện vẫn đang được dùng trong một số trường hợp nhất định. Thí dụ như: dùng pháo hiệu, cờ hiệu, đèn biển, đốt lửa và dùng khói v.v…Hình thức này có
nhược điểm là cự ly bị giới hạn do tầm nhìn của mắt người, chịu ảnh hưởng lớn của
thời tiết và khí hậu, phụ thuộc lớn vào môi trường truyền dẫn là khí quyển trái đất.
Trường hợp này thường áp dụng trong thông tin quang giữa các vệ tinh trên bầu khí
quyển.
Thông tin quang định hướng là dạng thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn là
sợi quang và dùng ánh sáng hồng ngoại đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là
850nm , 1300nm , 1550nm. Đây là hình thức thông tin quang hiện đại mới xuất hiện
gần 40 năm nay, nhưng có nhiều ưu việt, nên phát triển nhanh và được ứng dụng rộng
rãi, hiện thông tin quang sợi đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu của hệ

thống viễn thông trên thế giới.
5

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
+ Năm 1960 phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được laser bán
dẫn và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồn nuôi thấp, công suất
và dải sóng đáp ứng và phù hợp làm nguồn phát ánh sáng cho thông tinh quang sợi.
+ Năm 1967 sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn cở 1000 dB/km
+ Năm 1970 hãng Corming Glass works (Mỹ) sản xuất thành công sợi quang
thạch anh có tiêu hao đạt 20 dB/km tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục. Mở
ra khả năng dùng sợi quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.
+ Từ năm 1979 đến nay đã sản suất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt
0,2 dB/km.
+ Năm 1978 ra đời hệ thống thông tin quang thơng mại thế hệ 1 làm việc ở bước
sóng 0,78 μm, dùng sợi đa mode chiều dài khoảng lặp L = 12 km, tốc độ bit 90 Mb/s.
+ Năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thơng mại thế hệ 2 ra đời làm việc với
bước sóng 1,3 μm, dùng sợi quang đơn mode tốc độ bit 1,7 Gb/s, cự li khoảng lặp L =
45 km.
+ Năm 1990 hệ thống thông tin quang sợi thương mại thế hệ 3 ra đời làm việc với
bước sóng 1,55 µm, dùng sợi đơn mode, tốc độ bit 2,5 Gb/s, khoảng lặp L = 100 km.
+ Từ 1995-2000 hệ thống thông tin quang thơng mại thứ tư được đưa vào sử
dụng. Đó là hệ thống thông tin quang coherent và sử dụng công nghệ WDM kết hợp
với bộ khuyếch đại quang pha tạp Erbium ( EDFA) tạo nên các tuyến thông tin quang
dung lượng rất lớn và tốc độ cao từ vài chục đến hàng trăm Gb/s.
+ Hiện nay thế hệ thông tin quang thứ 5 đang được nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm và thử nghiệm trên hiện trường. Đó là hệ thống thông tin quang Soliton, ứng
dụng hiệu ứng phi tuyến của sợi quang cho phép xây dựng tuyến truyền dẫn trên cự ly

siêu dài đến hàng chục nghìn km với sự trợ giúp của các bộ khuyếch đại quang.
+ Có thể coi công nghệ thông tin quang sợi bắt đầu được đưa vào sử dụng tại Việt
nam từ năm 1995 khi tuyến cáp quang biển quốc tế đầu tiên của ta là tuyến Hồng Kông
- Việt Nam – Thái Lan (HVT) được lắp đặt và đưa vào khai thác. Phần tiếp theo ta hạn
chế chỉ xét đối với hệ thống thông tin quang quang có định hướng hay thông tin quang
sợi.
6

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
Hình 1.1 và 1.2 duới đây cho ta đồ thị quá trình phát triển của thông tin quang
trên thế giới

Hình 1.1 : Đồ thị mô tả quá trình phát triển của thông tin quang

7

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

Hình 1.2 : Đồ thị mô tả quá trình phát triển của thông tin quang
1.2. Các phần tử thiết yếu của mạng quang
Sợi
quang

Vào

Máy phát
quang

Trạm lặp

Ra
Thiết bị
xen rẽ

Máy thu
quang

Hình 1.3 . Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
- Máy phát quang : Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu cần truyền đi thành sóng ánh
sáng(E/O) và truyền ánh sáng đó vào sợi quang
- Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo
chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín
hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang
- Thiết bị xen rẽ : được sử dụng để lấy thông tin trên luồng hoặc ghép thêm kênh
thông tin cần truyền vào đường truyền chung.
- Máy phát quang : Có nhiệm vụ biến đổi ngược tín hiệu quang nhận được ở ô đầu cáp
thành tín hiệu ban đầu (Biến đổi O/E)
8

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
1.2.1.Máy phát quang hay thiết bị phát quang
Vào điện

Nguồn

Điều Chế

Ghép kênh

Hình 1.4 . Sơ đồ khối của thiết bị phát quang
a. Nguồn quang
- Cơ chế phát xạ ánh sáng
Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp ( E1 ), không có điện
tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn ( E 2 ), thì ở điều kiện đó nếu có một năng
lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên
mức năng lượng E 2 . Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để truyền năng lượng cần
tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch chuyển của điện tử tới một mức
năng lượng khác được gọi là sự chuyển dời.
Điện tử rời khỏi mức năng lượng cao bị hạt nhân nguyên tử hút và quay về trạng
thái ban đầu. Khi quay về trạng thái thì một năng lượng đúng bằng được giải phóng.
Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được giải phóng tồn tại ở dạng ánh
sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát
xạ được tính theo công thức:

λ=c

h
E 2 − E1

(1.1)

Trong đó, h = 6,625.10 34 js (hằng số Planck)

E2
h

E2
là vận tốc ánh sáng
c = 3.10 8Ekm/s
2
h
h
Bước sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo nên linh

kiện phát quang. Do đó bước sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất của vật liệu.
E1

E1
Hấp thụ
a

h

E1
Phát xạ tự phát
b

Phát xạ kích thích
c
9

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT

Hình 1.5. Mức năng lượng và quá trình chuyển dịch


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

Khi ánh sáng có năng lượng tương bằng E 2 − E1 đập vào một điện tử ở trạng thái
kích thích, điện tử ở trạng thái kích thích E 2 theo xu hướng sẽ chuyển dời về trạng thái
E1 nay bị kích thích chuyển về trạng thái E 2 . Sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng đập

vào (hình 1.5). Đó là hiện tượng phát xạ kích thích. Năng lượng ánh sáng phát ra tại
thời điểm này lớn hơn năng lượng ánh sáng phát ra tự nhiên. Còn đối với cơ chế phát
xạ của bán dẫn: là nhờ khả năng tái hợp bức xạ phát quang của các hạt dẫn ở trạng thái
kích thích. Từ điều kiện cân bằng nhiệt, điện tử tập trung hầu hết ở vùng hoá trị có mức
năng lượng thấp và một số ít ở vùng dẫn ó mức năng lượng cao. Giả sử rằng trong bán
dẫn có N điện tử trong đó có n1 điện tử ở vùng hoá trị n2 điện tử ở vùng dẫn. Khi ánh
sáng chiếu từ bên ngoài vào bán dẫn ở trạng thái này, tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và
hấp thụ tỷ lệ thuận với tỷ số n2 và n1 . Việc hấp thụ chiếm đa số và ánh sáng phát ra
giảm đi.
- Điode LED
Điốt phát quang LED là nguồn phát quang rất phù hợp cho các hệ thống thông tin
quang tốc độ không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode.
Để sử dụng tốt cho hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao,
thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Sự bức xạ của nó là công

10

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề mặt phát và được tính
bằng Watt. Chính công suất bức xạ cao sẽ tạo điều kiện cho việc ghép giữa các sợi dẫn
quang và LED dễ dàng và cho công suất phát ra từ đầu sợi lớn.
Thời gian đầu, khi công nghệ thông tin quang chưa được phổ biến, điốt phát quang
thường dùng cho các sợi quang đa mode. Nhưng chỉ sau đó một thời gian ngắn, khi mà
các hệ thống thông tin quang phát triển khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được
đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì LED cũng đã có dưới dạng sản
phẩm là các modul có sợi dẫn ra là sợi dẫn quang đơn mode. Công suất quang đầu ra
của nó ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều khiển đơn giản.
Thực nghiệm đã đạt được độ dài tuyến lên tới 9,6Km với tốc độ 2Gbit/s và 100Km
với tốc độ 16Mbit/s. LED có ưu điểm là giá thành thấp và độ tin cậy cao, tuy nhiên
chúng phù hợp với mạng nội hạt, các tuyến thông tin quang ngắn với tốc độ bit trung
bình thấp.
- Điốt Laser
Nói chung, Laser có rất nhiều dạng và đủ các kích cỡ. Chúng tồn tại ở dạng khí,
chất lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát
Laser là các Laser bán dẫn và thường gọi chúng là LD. Các loại Laser có thể là khác
nhau nhưng nguyên lý hoạt động cơ bản của chúng là như nhau. Hoạt động của Laser
là kết quả của ba quá trình mấu chốt là: hấp thụ phôton, phát xạ tự phát và phát xạ kích
thích. Ba quá trình này tương tự cơ chế phát xạ ánh sáng
Các hệ thống thông tin quang thường là có tốc độ rất cao, hiện nay nhiều hệ thống
thông tin quang có tốc độ 2.5Gbit/s đến 5Gbit/s đã được đưa vào khai thác. Băng tần
của hệ thống thông tin quang đòi hỏi khá lớn, như vậy các LD phun sẽ phù hợp hơn là
các điốt phát quang LED. Các LD thông thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ
rộng phổ trung bình từ 1nm đến 2 nm và nhỏ hơn, công suất ghép vào sợi quang đạt vài
miliwatt.
- Nhiễu trong nguồn phát Laser
Khi các LD được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao, thì một
số hoạt động của Laser bắt đầu xuất hiện và tốc độ biến đổi càng cao thì chúng càng
11

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
thể hiện rõ và có thể gây ra nhiễu ở đầu ra của bộ thu. Các hiện tượng này được gọi là
nhiễu mode, nhiễu cạnh tranh mode và nhiễu phản xạ. Vì ánh sáng lan truyền dọc theo
sợi dẫn quang nên sự kết hợp của các suy hao mode phụ thuộc, thay đổi pha giữa các
mode và sự bất ổn định về phân bố năng lượng trong các mode khác nhau sẽ làm thay
đổi nhiễu mode. Nhiễu mode xuất hiện khi có sự suy hao bất kỳ nào đó trong tuyến.
Các nguồn phát quang băng hẹp có tính kết hợp cao như các Laser đơn mode sẽ gây ra
nhiễu mode lớn hơn các nguồn phát băng rộng.
Ngoài ra, hiện tưởng phản xạ nhỏ trở lại Laser do các mặt phản xạ từ ngoài có thể
gây ra sự thay đổi đáng kể nhiễu mode và vì thế cũng làm thay đổi đặc tính của hệ
thống. Nhiễu phản xạ có liên quan tới méo tuyến tính đầu ra LD gây ra do một lượng
ánh sáng phản xạ trở lại và đi vào hốc cộng hưởng Laser từ các điểm nối sợi. Có thể
giảm được nhiễu phản xạ khi dùng các bộ cách ly quang giữa LD và sợi dẫn quang.
Kết luận: Nguồn phát quang đóng một vai trò rất quan trọng đối với hệ thống
thông tin quang, ở phần này ta quan tâm chủ yếu đến LD, Laser đơn mode. Từ đó, ta
có thể lựa chọn nguồn phát sao cho phù hợp với hệ thống. Hiện nay hay dùng laser
bán dẫn làm nguồn quang
b. Điều chế
Điều khiển cường độ xung quang ở lối ra của laser . 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
c. Ghép kênh
: Là hệ thống thấu kính nhằm hội tụ tín hiệu nguồn ánh sáng để ghép vào lõi sợi quang
1.2.2. Thiết bị thu quang
Thiết bị thu quang đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống thông tin quang,
nó có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Trong lĩnh vực thông tin

quang ta sẽ nghiên cứu vấn đề thu quang theo hiệu ứng quang điện.
1.2.2.1 . Cơ chế thu quang

12

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

Lối
vào
quang

Mạch điện
tử
Ghép từ
kênh

Tách sóng
kênh

Giải điều
chế

Lối ra tín

hiệu
điện

Hình 1.6 . Sơ đồ khối thiết bị thu quang
. a Khối ghép từ kênh : Là hệ thống thấu kính nhằm hội tụ tín hiệu quang nhận được
từ sợi quang vào mặt làm việc cuả bộ tách quang
n2>n1
λ1

n1

λ2
λ1 + λ1 +...+ λN

λn

n2
Sợi quang

Thấu kính

Lăng kính

Thấu kính

Hình 1.7 Tách kênh sử dụng lăng kính
Thông thường bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại
các bước sóng khác nhau. Tất cả các bước sóng đó được tập trung vào một điểm và
truyền vào một sợi quang duy nhất. Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng có
thể sử dụng như là một bộ ghép kênh quang. Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên
lý làm việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ khi sử dụng
cách tử.
b. Phối tách quang : Sử dụng Photodiod PIN hoặc Photodiod thác

Như đã nói ở trên, cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thụ ánh sáng
trong chất bán dẫn. Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng
hoà trị được chuyển dời tới vùng dẫn nhưng nếu không có một sự tác động sảy ra thì sẽ
không thu được kết quả gì mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh và tái hợp
trở lại với các lỗ trống vùng hoá trị. Do đó để biến đổi năng lượng quang thành điện ta
13

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử chưa kịp tái hợp. Trong linh kiện
thu quang, lớp chuyển tiếp p-n được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống. Khi ánh
sáng đập vào vùng p sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng n. Trong quá
trình đó, các điện tử và lỗ trống đã được tạo ra và tại vùng nghèo do hấp thụ photon sẽ
chuyển động về hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường nên chúng
tách rời nhau. Vì không có điện trường ở bên ngoài vùng nghèo nên các điện tử và lỗ
trống được tạo ra do hiệu ứng quang điện và sẽ tái hợp trong quá trình chuyển động
của chúng. Tuy nhiên, sẽ có một vài điện tử di chuyển vào điện trường trong quá trình
chuyển động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng. Và do đó có một điện thế sẽ
được tạo ra giữa các miền p và n. Nếu hai đầu của miền đó được nối với mạch điện
ngoài thì các điện tử và lỗ trống sẽ được tái hợp ở mạch ngoài và sẽ có dòng điện chạy
qua.
- Photođiốt PIN
Phôtođiốt PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Cấu trúc cơ bản của Photođiốt PIN gồm các vùng p và n đặt cách nhau bằng một lớp tự
dẫn i rất mỏng. Để thiết bị hoạt động thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng bên
trong rút hết các loại hạt mang. Khi có ánh sáng đi vào Photođiốt PIN thì sẽ xảy ra quá
trình như sau. Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng lớn hơn
hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong Photođiốt thì

photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn.Quá trình này sẽ phát ra
các cặp điện tử, lỗ trống. Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các
hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh sáng tới
bị hấp thụ (hình 3.2). Sự có mặt của trường điện cao trong vùng nghèo làm cho các hạt
mang tách nhau ra và thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược. Điều này làm tăng
luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp mang được
phát ra và dòng này gọi là dòng photon.

14

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
Thiên áp

P

Lỗ trống

i

Điện tử

Trở
tải

n

IP

Photon
Vùng
cấm

Điện tử
P

Vùng dẫn

n

hv >E
Lỗ trống
Vùng nghèo

Vùng hoá trị

Hình 1.8: Sơ đồ vùng năng lượng của Photođiốt PIN.
Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phái sinh ra một xung điện ở
mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh
sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị
tổn hao do phản xạ.
- Photođiốt thác
Để tăng độ nhạy điốt quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng
nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện.
Photođiốt thác ký hiệu APD (Avalanche photodiote) có đặc tính tốt hơn đối với
tín hiệu nhỏ. Sau khi biến đổi các photon thành các điện tử thì nó khuếch đại ngay
dòng photo ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều
này làm tăng mức tín hiệu dẫn tới độ nhạy máy thu tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu

ứng nhân bên trong thì các hạt mang phải được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để
ion hoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh này
15

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
được đẩy từ vùng hoá trị tới vùng dẫn rồi tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống mới sẵn sàng
dẫn điện. Các hạt mang mới này tạo ra tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại
có thể phát ra các cặp điện tử- lỗ trống mới khác. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác.

Trường điện
+

n

Vùng thác
p

i

Trường tối thiểu cần
thiết để tác động ion hoá
Vùng nghèo

P+

Hình 1.9: Cấu trúc Photođiốt thác và trường điện trong vùng trôi.
c . Tham số cơ bản của thiết bị thu quang

- Hiệu suất lượng tử
Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là tỷ số điện tử được sinh ra trên số
photon được hấp thụ.Thường các điốt đạt hiệu quả khoảng 60% đến 80%.
- Độ nhạy quang
Độ nhạy quang cho biết khả năng biển đổi công suất quang thành dòng điện.
Nếu tại một bước sóng có số photon rơi vào là N 0 và năng lượng mỗi photon là:m
E=

thì công suất quang thu được là:
và lượng điện tích sinh ra là:

hc
λ

(1.2)

c dN 0
λ dt

(1.3)

q 0 = N 0ηe

(1.4)

PT = h

16

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT

Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
e = 1,6.10 −19 c

với

Từ đó ta tính được dòng điện sinh ra từ các photon là:
i0 =

dq 0
dN
= η.e 0
dt
dt

⇔ ip =

(1.5)

η.λ.ePT
= SPT
hc

gọi S độ nhạy quang có thứ nguyên [A/W] và S =

η.λ.e
hc

(1.6)

- Tạp âm của tách sóng quang
Đối với các bộ tách sóng quang, bộ thu quang cần phải có độ nhạy thu rất
cao, điều đó đòi hỏi các photođiôt phải tách được tín hiệu quang rất yếu từ phía đường
truyền tới. Để thực hiện thu được các tín hiệu rất yếu này, cần phải tối ưu hoá được bộ
tách sóng quang và cả các mạch khuếch đại tín hiệu đi kèm theo đó, điều này cho phép
ta nhận được tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm S/N:
Pp
S
=
N PTS + PKD

(1.7)

với Pp : Công suất tín hiệu do dòng photo tạo ra.
PTS : Công suất tạp âm của bộ tách sóng.
PKD : Công suất tạp âm của bộ khuếch đại.

Để đạt được tỷ lệ S/N cao thì phải hội đủ các điều kiện sau:
Sử dụng các bộ tách sóng quang có hiệu suất lượng tử cao nhằm tạo ra công suất
tín hiệu lớn.
Phải hạn chế được các tạp âm của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại tín hiệu
trong bộ thu quang càng nhiều càng tốt.
Tạp âm của các bộ khuếch đại quang là tạp âm của bộ tiền khuyếch đại và của các
bộ khuyếch đại phía sau. Nhưng trong thực tế, phần lớn tạp âm là do các bộ tách sóng
và các bộ tiền khuyếch đại quyết định.
d . Bộ thu quang trong truyền dẫn tín hiệu số

17

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
Hầu hết các hệ thống thông tin quang hiện nay thực hiện truyền dẫn tín hiệu số.
Tín hiệu được phát ra từ phía phát là luồng số nhị phân với các giá trị 0 và 1 trong một
khoảng thời gian. Trong một bộ thu quang, ánh sáng nhận được từ phía đường truyền
sẽ được tách và biến đổi thành tín hiệu điện và được khôi phục ở đầu thu. Bộ khuếch
đại thực hiện việc biến đổi dòng này thành tín hiệu điện áp với mức phù hợp với các
mạch tiếp theo sau. Nhiệm vụ của bộ lọc nhằm giới hạn băng tần của bộ thu, làm giảm
tối thiểu tạp âm phát ra từ bộ tách sóng và khuếch đại. Xung clock được trích lấy ra từ
chùm tín hiệu số trong mạch quyết định.

Hình 1.10: sơ đồ khối của bộ thu quang điển hình trong truyền dẫn số.
Việc lựa chọn bộ tách sóng quang thường được dựa vào các yếu tố cần được quan
tâm như quỹ công suất của hệ thống, dải thông theo yêu cầu, tính phức tạp phần cứng,
hiệu quả kinh tế.
Kết luận
Việc xem xét các đặc tính kỹ thuật của thiết bị thu quang là một yếu tố rất quan
trọng. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị thu quang mà ở đây
ta xét chủ yếu đến LD. Nếu một sợi quang chỉ truyền tín hiệu trong một sợi dẫn quang
thì hệ thống không đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao vì thế các
phương pháp ghép kênh quang ra đời, trong đó phương pháp ghép kênh theo thời gian
18

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
đang càng ngày càng thể hiện rõ tính ưu việt của nó và vấn đề này sẽ đươc trình bày

chi tiết ở chương sau.
1.2.3. Các trạm lặp.
Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do
sợi quang có độ suy hao). Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể
không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu không
nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận).
Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng
trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã
sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang. Và cuối cùng đưa
tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu. Như vậy, tín hiệu ở
ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E
và E/O.
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

Sợi quang
Biến đổi E/O

Hình 1.11 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 1.12 thể hiện sơ đồ khối chức năng của một
trạm lặp điện quang.

19

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM

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 1.12 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại 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.
1.3.4 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.
1.3 . Nguyên lý truyền dẫn tín hiệu số trên sợi quang và cáp quang
1.3.1. Cấu tạo sợi quang
Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy tinh
bao quanh lõi. Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinh có tác dụng tạo

20

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ. Muốn vậy thì chi số chiết suất của
lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ.

vỏ sợi

Lõi sợi

Hình 1.13: Cấu trúc tổng thể của sợi.
Các thành phần của cáp quang bao gồm: Lõi chứa các sợi dẫn quang, các phần tử gia
cường, vỏ bọc và vật liệu độn.
Lõi cáp: Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng, cả sợi và cấu trúc
lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp. Lõi cáp được bao quanh phần tử gia
cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống bọc thường được làm bằng chất
dẻo.
Thành phần gia cường: Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng của cáp,
đặc biệt là ổn định nhiệt cho cáp. Nó có thể là kim loại, phi kim, tuy nhiên phải nhẹ và
có độ mềm dẻo cao.

21

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thơng tin quang và cơng nghệ WDM
Vỏ cáp: Vỏ cáp bảo vệ cho cáp và thường được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị
tác động của ứng suất cơ học và mơi trường bên ngồi. Vỏ chất dẻo được bọc bên
ngồi cáp còn vỏ bọc bằng kim loại được dùng cho cáp chơn trực tiếp.
Thực tế, để đưa cáp quang vào sử dụng thì các sợi cần phải được kết hợp lại thành
cáp với các cấu trúc phù hợp với từng mơi trường lắp đặt. Do phụ thuộc vào mơi
trường lắp đặt nên cáp quang có rất nhiều loại: cáp chơn trực tiếp dưới đất, cáp treo
trong cống, cáp treo ngồi trời, cáp đặt trong nhà, cáp thả biển...
1.3.2 .Các biện pháp bảo vệ sợi
Trước khi tiến hành bọc cáp, sợi quang thường được bọc lại để bảo vệ sợi

trong khi chế tạo cáp. Có hai biện pháp :
• Bọc chặt sợi.
• Bọc lỏng sợi.
Đường kính ngoài
tới 0.9mm

Sợi đã bọc sư cấp

Sợi quang
b)
Chất dẽo

Chất dẻo mềm
Chất dẽo cứng

a)

Băng chất dẽo
1

2

12

3.8mm
Sợi đã bọc

c)
1

5

1.6mm
d)

Hình 1.14: Ví dụ một số bọc chặt khác nhau
Hình 1.41 Ví dụ một số vỏ bọc chặt khác nhau

22

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
- Bọc chặt sợi
Sợi quang sẽ được bọc chặt do đó sẽ làm tăng tính cơ học của sợi và chống lại
ứng suất bên trong. Các sợi quang có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu dẻo
đơn hoặc kép. Trong một môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ
có thể gây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi, từ đó suy hao sợi có thể tăng lên. Từ
đó có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa
chọn vật liệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và
cách thứ hai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co
nhiệt.
- Bọc lỏng sợi
Sợi quang có thể được đặt trong cáp khi được bọc một lớp chất dẻo có màu
mỏng. Các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có ở lõi chất dẻo. Các ống
và các rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể hoàn
toàn tự do trong nó. Kỹ thuật này cho phép sợi tránh được các ứng suất bên trong.
Trong cấu trúc bọc lỏng, các sợi nằm trong ống hoặc trong khe đều được bảo vệ rất tốt.
Giải pháp này ít dùng trong sợi đơn mà thường được dùng cho các sợi ở dạng băng.

1.3.3. Giới thiệu một số loại sợi quang mới.
a. 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
23

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
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 1.15 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.

Hình 1.15 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính
b. 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.
24

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT


Hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM
+ 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 trội của NZ -DSF là giảm ảnh
hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tán sắc phân cực mode. Có hai loại sợi
+NZ-DSF và –NZ-DSF.
c. Đặc điểm của sợi quang
Ưu điểm
- Sợi quang đã trở thành một phương tiện thông dụng cho nhiều yêu cầu truyền
thông, nó có những ưu điểm vượt hơn so với các phương pháp truyền dẫn điện thông
thường. Phần dưới đây nêu những đặc điểm của sợi quang.
- Dung lượng lớn. Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông tin. Với
công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời 60.000 cuộc đàm
thoại. Một cáp sợi quang (có đường kính ngoài 2 cm) có thể chứa được khoảng 200 sợi
quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6.000.000 cuộc đàm thoại. So với
các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn gồm nhiều đôi dây có
thể truyền được 500 cuộc đàm thoại. một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc
đàm thoại và một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ. So với một cáp đông có cùng dung lượng, cáp sợi
quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. Do đó dễ lắp đặt chúng
hơn, đặc biệt ở những vị trí có sẵn dành cho cáp (như trong các đường ống đứng trong
các tòa nhà), ở đó khoảng không là rất ít.

- Không bị nhiễu điện. Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu
điện từ (EMI) hay nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội
tại nào. Sợi quang có thể cung cấp một đường truyền “sạch" ở những môi trường khắc
nghiệt nhất. Các công ty điện lực sử dụng cáp quang, dọc theo các đường dây điện cao
thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng
không bị xuyên âm. Thậm chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không
thể thâm nhập vào sợi quang khác được.
25

Phạm Ngọc Quang 46K - ĐTVT