NGHIÊN cứu bộ KHUẾCH đại LASER TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGÔ VĂN HÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG COHERENT

HẢI PHÒNG - 2016


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGÔ VĂN HÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG COHERENT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: D52027
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn : ThS. NGUYỄN THANH VÂN

HẢI PHÒNG - 2016


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Hàng Hải
Việt Nam đã tận tình dạy dỗ trong suốt những năm học vừa qua. Trong đó phải
kể đến quý thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo điều kiện cho em được
học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thực hiện đồ án là
cô th.s Nguyễn Thanh Vân đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề
tài và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài.
Sau gần 2 tháng học tập, làm việc với sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng
dẫn, cùng với sự đóng góp nhiệt tình của bạn bè đã tạo điều kiện để em hoàn
thành đồ án này. Bản thân em đã học hỏi, tiếp thu được những kiến thức bổ ích,
những kinh nghiệm quý báu, những bài học quý giá khi thực hiện đồ án này .
Qua những kinh nghiệm làm đồ án,em sẽ không ngừng trau dồi, nâng cao
kiến thức. Đồng thời góp phần nhỏ bé của mình vào sự nghiệp giáo dục của
nước nhà, từng bước nâng cao vị thế người Việt Nam trên thế giới.
Vì thời gian hạn hẹp và trình độ hiểu biết còn hạn chế, nên đồ án của em còn
những thiếu sót không tránh khỏi. Em rất mong được sự thông cảm, đóng góp ý
kiến và sửa đổi của quý thầy cô.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, gia đình và bạn bè đã hỗ trợ
cho em trong suốt thời gian vừa qua.
Em xin trân thành cảm ơn!
Hải phòng, ngày 4, tháng 5 năm 2016
Sinh viên thực hiện đồ án :
Ngô Văn Hùng

3

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan:
Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân em, được
thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức được học và khảo sát thực
tế, có tham khảo qua một số tài liệu chính quy nhưng không phải là sao chép
,được thực hiện dựa trên sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là cô
Th.s Nguyễn Thanh Vân.
Một lần nữa em xin khẳng định về sự chung thực của đồ án, nếu có bất kỳ sự
sao chép nào em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện đồ án :
Ngô Văn Hùng

4


MỤC LỤC

5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
1

Từ viết tắt
WDM

Tiếng Anh
Wavelength Division

Tiếng Việt
Ghép kênh theo bước sóng

OTDM

Multiplexing
Optical Time Division

Ghép kênh quang phân chia

DWDM

Multiplexing
Dense Wavelength

theo thời gian
Ghép kênh theo bước sóng

CWDM

Division Multiplexing
Coarse Wavelength

mật độ cao
Ghép kênh theo bước sóng

5

DD

Division Multiplexing
Direct Detector

lỏng
Tách sóng trực tiếp

6

ASK

Ampitude Shift

Điều chế khóa dịch biên độ

7

DE

Keying
Drive Electronic

Ổ điện tử

8

SLA

Semiconductor Optical Khuếch đại Laser bán dẫn

OFA

Amplifier
Optical Fiber

Khuếch đại quang sợi

ASE

Amlplifier
Amplified

Nhiễu phát xạ tự phát được

Spontaneous Emission

khếch đại

noise
Four Wave Mixing
Traveling Wave

Trộn bốn bước sóng
khuếch đại sóng chạy

2
3
4

9

10

11
12

FWM
TWA

Amplifier

6


DANH MỤC CÁC HÌNH

7


Số hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7

Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8a
Hình 3.8b
Hình 3.9

Tên hình
Quá trình phát triển của thông tin sợi quang
Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang
Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang
Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang
Sự phát triển tốc độ và dung lượng của các công
nghệ truyền tải quang
Dạng sóng tín hiệu ASK
Tín hiệu điều chế PSK
Tín hiệu điều chế FSK
Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang
coherent
Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản
Mô hình bộ tách quang cơ bản
Sơ đồ bộ thu cân bằng

Sự phụ thuộc độ nhạy vào tốc độ truyền dẫn
Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền
Mô tả kiến trúc mạng đường dài 100Gb/s của hãng
Ciena
Chuyển mạch hỗn hợp TDM-IP
Phổ suy hao đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn
ít suy hao
Phổ tán sắc đặc trưng của sợi quang silic kiểu đơn
Cấu trúc một trạm lặp quang điện
Mô hình tổng quát của bộ khuếch đại quang
Các loại SLA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng
Các hiện tượng biến đổi quang điện
Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào
Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ ra
Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh trong SLA khi

Hình 3.10

khuếch đại hai tín hiệu
Cấu trúc của một SLA
Ứng dụng của SLA trong khuếch đại tăng cường,

Hình 3.11

bộ khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại

Hình 3.12

trong các đường truyền quang học
. Ứng dụng khuếch đại tăng cường trong các mạng

phân phối quang
8

Trang
4
4
6
12
15
17
18
19
20
21
22
26
28
28
31
32
35
36
37
39
41
41
44
44
46
47

54

55


9


LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đã bước vào thế kỷ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc và kiến
thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi nghành, mỗi quốc gia.Với
chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại Việt Nam đã và đang hiện đại hóa
mạng lưới viễn thông để hòa nhập với thế giới góp phần không nhỏ cho sự phát
triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước.
Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế
giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại dịch vụ phong phú. Việt
Nam gần đây nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn
lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn ở nhiều nơi chưa đáp ứng
được nhu cầu của khách hàng. Do vậy bằng kĩ thuật thông tin quang, người ta có
thể tạo ra các hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ
cao, độ rộng băng tần lớn truyền tín hiệu đi xa mà tổn hao lại thấp…
Từ khi ra đời cho đến nay hệ thống thông tin quang đã trở thành hệ thống
truyền dẫn trọng yếu của mạng lưới viễn thông. Nhưng giờ đây, thông tin quang
được phát triển lên tầm cao mới ở cả cấp độ mạng truy nhập. Có thể thấy rằng
để đáp ứng nhu cầu truyền tải do sự bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần
phải phát triển cả về quy mô và cấu trúc mạng.
Trong hệ thống thông tin quang có một bộ phận rất quan trọng, quyết định
đến chất lượng truyền tải thông tin cho toàn bộ hệ thống thông tin quang đó là
bộ khuếch đại laser giúp đảm bảo nguồn thông tin được truyền đi một cách
nhanh chóng và chính xác. Vì vậy trong thời gian vừa qua em đã tìm hiểu

nghiên cứu và em xin được lựa chọn đề tài:“Nghiên cứu bộ khuếch đại laser
trong hệ thống thông tin quang coherent’’
Đồ án tốt nghiệp được chia thành 3 chương:
Chương I:Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Chương II:Tổng quát về hệ thống quang coherent
Chương III:Nghiên cứu bộ khuếch đại laser trong hệ thống thông tin quang
coherent.
10


Chương I :
Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này
đến nơi khác cách nhau hàng trăm met hay hàng ngàn km. Thông tin được
truyền là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz. Hệ
thống thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ
truyền sóng của hệ thống quang. Các hệ thống quang đã và đang được ứng dụng
rộng rãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn
thông trên toàn thế giới. Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển
của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý, đặc điểm, những vấn đề còn tồn
tại và xu thế phát triển của hệ thống quang hiện nay.
1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên
gọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệ
thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống
thông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô
tuyến). Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng
được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh
hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của
con người. Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ

tinh có những ưu, nhược điểm riêng. Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông
tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa.
Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ
truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm. Quá
trình phát triển của hệ thống thông tin quang được khái quát như sau:
Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như dùng
lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang.
Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện về
11


thời tiết. Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô
tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ở
cách xa nhau. Sau đó, A. G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền
tiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m.
Đến đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử
dụng sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4
Gbit/s và chuẩn SONET. Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước
sóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp.
Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới với năm thế
hệ:
Thế hệ 1 hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ở
Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với khoảng lặp là 10km.
Thế hệ 2 làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s và có thể đạt
tới 4Gb/s với khoảng lặp là 40km.
Thế hệ 3 sử dụng Laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy hao
trên sợi quang cỡ 0,2 dB/km nhưng có hệ số tán sắc cao tầm 16÷18 ps/nm.km có
thể đạt đến 10Gb/s ở khoảng lặp từ 60÷70 km.
Thế hệ thứ 4 sử dụng khuếch đại quang EDFA và ghép kênh quang theo bước

sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn, có tốc độ 5Gb/s ở
khoảng cách 14300km và đến năm 2000 đã có thể đạt được 100Gb/s xuyên qua
Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6).
Thế hệ 5 nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếch
đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn
siliton).
Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang qua năm thế hệ có thể
được minh hoạ như trong Hình 1.1.

12


10000 1000

100

10
1

Tich tôc đô va khoang cách (Ghz.Km)

Truyền dẫn Siliton
1500 nm
Tách sóng Coherent
1500 nm
Tách sóng trực tiếp
1300 nm
Đơn mode
800 nm
Đa mode

1974

1978

1982

1986

1990

1992 năm

Hình 1.1: Quá trình phát triển của thông tin sợi quang.
Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới. Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ
thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở
thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông.
1.2 Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang
1.2.1Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin quang
Một hệ thống quang được tổ chức như Hình 1.2.
Nguồn tin

Phần tử điện

Biến đổi E/O

Biến đổi O/E

Phần tử điện

Nguồn tin

Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang.
Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay văn bản
Phần tử điện: có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín hiệu
điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.
Bộ biến đổi E/O: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi (ở đầu
phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần).
Sợi quang: là môi trường truyền tín hiệu quang. Sợi quang có yêu cầu là phải có
băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ.
Bộ biến đổi quang điện O/E: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (ở đầu
thu).

13


Tải tin của hệ thống thông tin quang chính là ánh sáng có tần số rất cao: từ
1014÷1015 Hz.
Chuyển tiếp tín hiệu: trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên sau
một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng
cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang.
Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn
và cự ly trạm lặp. Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin
khác ở cả hai yêu cầu trên.
1.2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang
Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín
hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo
hướng này. Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần
phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong Hình vẽ 1.3.
Phần phát quang: Gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau.

Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộc
vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các
mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều
khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được sử dụng
phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser
Diode).

14


Mạch điện
Phát quang

Bô khuếch đại

Tin hiệu quang

15


Hình 1.3: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang.
Cáp quang: Gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi
tác động có hại từ bên ngoài. So với các môi trường truyền dẫn khác thì truyền
dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật hơn đó là: hầu như không chịu ảnh
hưởng của môi trường bên ngoài, băng thông truyền dẫn lớn và suy hao nhỏ.
Với những ưu điểm đó cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực thông tin
quang thì sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ
thống xuyên đại dương. Chúng đáp ứng được yêu cầu về khoảng cách và còn có
thể đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin
tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính: sợi đơn mode, sợi

đa mode chiết suất
Tin hiệu điện
nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi. Tuỳ thuộc vào hệ thống mà sợi
quang được sử dụng là loại nào.
Phần thu quang có chức năng chuyển tín hiệu quang thành nguồn tin ban đầu.
Nó bao gồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ khôi phục tín hiệu. Bộ
tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD.
Ngoài ra nếu tuyến quang mà có cự ly dài thì còn có thêm trạm lặp: bao gồm
bộ thu quang, mạch điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện,
bộ phát quang.
Các phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh.
1.3. Đặc điểm của hệ thống thông tin quang
1.3.1Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang nên
nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước đó,
đó là:
Thứ nhất là tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang
có suy hao thấp và băng tần truyền dẫn rộng đến hàng Thz cho phép phát triển
Tin hiệu điện ra

các hệ thống WDM dung lượng lớn, suy hao truyền dẫn của sợi quang tương đối
nhỏ, đặc biệt là trong vùng cửa sổ 1300nm và 1550nm. Điều đó có nghĩa là hệ
Tin hiệu điện vao

thống thông tin quang có thể gửi đi nhiều số liệu hơn với khoảng cách lớn hơn
16


so với các hệ thống thông tin trước đó, do đó, sẽ làm giảm số lượng sợi và giảm
số lượng trạm lặp cần thiết dẫn đến giảm số lượng thiết bị và các phần tử hợp

thành, giảm chi phí thiết lập mạng và sự phức tạp của hệ thống.
Thứ hai là trọng lượng và kích thước nhỏ: Sợi quang có trọng lượng và kích
thước nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống cáp kim loại, nhất là hệ thống cáp
ngầm trong thành phố. Ngoài ra nó cũng có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ máy
bay, vệ tinh, tàu bè. Đồng thời, nó còn được ứng dụng trong quân sự, nơi mà yêu
cầu cáp phải được khôi phục một cách nhanh chóng.
Thứ 3 là sự miễn nhiễm ngoài: Cáp sợi quang có tính cách điện nên chúng có
tính miễn nhiễm điện từ từ bên ngoài, do đó sợi quang không có sự cảm ứng
điện từ từ bên ngoài và tín hiệu truyền trong sợi quang cũng không gây nhiễu ra
bên ngoài.
Thứ tư là tính cách điện: Sợi quang là một vật cách điện. Sợi thuỷ tinh này
loại bỏ nhu cầu về các dòng điện cho đường thông tin. Cáp sợi quang làm bằng
chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cách điện hoàn toàn
cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy
vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các
đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện.
Tiếp theo là an toàn cho tín hiệu: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin
cao. Một sợi quang không thể bị lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện
thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích
để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền lan ở tâm sợi quang
là rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí, nếu đã trích
vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh
sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu thông tin vệ tinh và vi ba có
thể dễ dàng thu và giải mã tín hiệu được.
Cuối cùng là sự phong phú về nguyên liệu: Vật liệu chế tạo sợi chủ yếu là
Silic rất phong phú và rẻ tiền. Chi phí cho việc chế tạo cáp hiện nay phát sinh
chủ yếu trong việc chế tạo thuỷ tinh cực sạch từ vật liệu thô. Do phong phú về
17

nguyên liệu nên giá thành của cáp giảm dẫn đến giá thành của hệ thống cũng
giảm theo, nhất là đối với các tuyến đường dài.
1.3.2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang
Thông tin quang có rất nhiều ưu điểm do sợi quang mang lại. Tuy nhiên, hệ
thống thông tin quang cũng có một số nhược điểm sau:
Một là khó sửa chữa khi có sự cố: Khi có sự cố thì các quy trình sửa chữa đòi
hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với các thiết bị thích
hợp.
Hai là chi phí đầu tư cao: Các hệ thống thông tin có sẵn trong hạ tầng viễn thông
hầu như là cáp đồng nên muốn cải tiến hạ tầng viễn thông cần phải có chi phí
lớn mà không phải quốc gia nào cũng có điều kiện để làm ngay mà cần phải làm
từng bước.
Ba là vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang thì cần phải để các
mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể
phát hiện được mảnh thuỷ tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không được nhìn trực
diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở để phòng ngừa có ánh sáng
truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông
tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được, nên không
thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt.
Bốn là vấn đề biến đổi điện-quang: Trong hệ thống thông tin quang, trước khi
đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi quang thì tín hiệu đó phải được chuyển
đổi thành sóng ánh sáng mới có thể truyền đi được.
Cuối cùng là sợi quang dòn, dễ gãy, khó nối ghép khi sợi bị đứt gãy: Sợi
quang được sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thuỷ tinh nên rất dòn và
dễ gãy. Kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối sợi khi sợi bị đứt gãy là rất khó
khăn, muốn hàn nối cần phải có thiết bị chuyên dụng trong khi với hệ thống cáp
đồng trục thì việc đấu nối dây dễ dàng hơn nhiều.

18

1.4. Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang
1.4.1 Những tồn tại của hệ thống quang
Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ
thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có
những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lượng thấp (<10 Gb/s)
do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó, băng tần của sợi
quang là rất lớn (> 1 Thz); Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự
ly truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạt đến mấy chục Gb/s thì làm cho cự ly
truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng được xung tín
hiệu cực hẹp.
Việc khắc phục những nhược điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và rất
tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thông tin quang nhiều
kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên như sau:
Thứ nhất: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan
trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục được
nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên.
Thứ hai: Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng
sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các
ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai.
Vì vậy, khi sử dụng hệ thống quang nhiều kênh sẽ làm tăng được dung lượng
của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần không
hạn chế của sợi.
1.4.2 Xu hướng phát triển của hệ thống quang
Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ thống
thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do
có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông,
suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò
chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục
địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển

19


như ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu
hướng hiện đại và kinh tế nhất.
Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ưu điểm là không
có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền
là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyền
dẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người.
Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người và các loại hình dịch
vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building
/Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung
lượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng được, mặt
khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên không tận
dụng được băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệ
thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thức
cải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang
nhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM
(Wavelength Division Multiplexing).
Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ra đời đã làm tăng đáng
kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các
công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quang
như suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang
EDFA, chuyển mạch gói quang.
Các công nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM
(Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng được
đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành
vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, người ta còn cải
tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bước
sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). Khai thác các
20


dịch vụ cáp quang FTTX như VNPT, Viettel hay EVNtelecom. Hiện nay, cuộc
cách mạng quang đang được quan tâm trong tầng truyền tải của mạng viễn
thông. Xu hướng phát triển của mạng quang được minh họa trong Hình 1.4.

21


Chuyển mạch gói/burst
Chuyển
quang
mạch tuyến quang Tách/ghép cô định tuyến quang

1990
2000
Thời gian
2010

22


Hình 1.4 : Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.
Như vậy, hệ thống thông tin quang đã phát triển không ngừng từ việc tách
ghép cố định tuyến quang đến chuyển mạch tuyến quang và đang tiến tới các hệ
thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói quang. Ở nước ta,
thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp

quang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ
Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc. Trong
tương lai, mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến cáp quang sẽ
được đưa đến các tỉnh thành trong cả nước thông qua các nhà mạng cung cấp
dịch vụ viễn thông. Một số nhà cung cấp dịch vụ đã triển
Với sự phát triển mạnh của các công nghệ thiết bị quang như thiết bị chuyển
mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì hệ thống thông tin quang sẽ tiến tới
mạng toàn quang chắc chắn sẽ không còn xa.
1.5. Kết luận
Tóm lại, Chương 1 đã trình bày 4 nội dung cơ bản của hệ thống thông tin
quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên
lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống
quang, những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang.
Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc phục
những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp ứng
được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay.

23


CHƯƠNG II:
TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG QUANG COHERENT
2.1. Tiến trình phát triển công nghệ truyền tải quang:
Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằng
những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quang
trong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm 1980. Trong
hơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanh
chóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần. Quá trình phát triển của
công nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba
xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm:

- Thế hệ thứ nhất - Công nghệ ghép kênh theo thời gian TDM: được dựa trên
kỹ thuật ghép kênh trong miền điện.
-

Thế hệ thứ hai - Công nghệ khuếch đại quang kết hợp với công nghệ ghép

kênh theo bước sóng quang WDM: đang được ứng dụng rộng khắp trong các
mạng truyền tải
- Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quá
trình nghiên cứu phát triển.

24


Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu của
thập kỷ 90. Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian TDM là công nghệ
truyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang. Các hệ thống này, các
thiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa
để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao. Các hệ thống
này thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang và có khả năng hỗ trợ
truyền tải với dung lượng 10 Gbps.
Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ
truyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt
là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đã góp phần tạo ra sự đột phá
trong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang. Tương tự
với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên lý cơ bản
của công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc
nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Do đó, công nghệ WDM
cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớn
hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng. Không những thế,

công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồng
thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultraDWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao. Hệ thống
truyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắt
đầu được triển khai trong một số mạng lõi, và dung lượng truyền dẫn tổng đạt
đến 1.6 Tbps. Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là và trong tương lai gần
vẫn sẽ là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang.

25