Hệ thống thông tin quang sợi

Chương 5 Hệ thống thông tin quang sợi

Hệ thống thông tin quang cơ bản được cấu trúc từ ba thành phần chính là sợi
quang, thiết bị phát quang và thiết bị thu quang. Các thành phần này đã được nghiên
cứu một cách độc lập trong các chương trước. Trong chương này sẽ xem xét xem
các thành phần cơ bản này được sử dụng như thế nào để tạo nên một hệ thống thống
tin quang. Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế một tuyến thông tin quang (đơn
kênh) có cấu trúc đơn giản nhất và chất lượng của một hệ thống thông tin quang
cũng được đề cập đến trong chương này. Phần cuối của chương cũng giới thiệu các
hệ thống truyền dẫn quang đa kênh làm cơ sở cho những môn học nâng cao.

5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang
5.1.1 Tuyến điểm – điểm
Các tuyến điểm - điểm hình thành nên hệ thống thông tin quang sợi đơn giản
nhất bao gồm một bộ phát quang, một bộ thu quang và đường truyền dẫn sợi quang
như cho thấy trong hình 5-1. Các hệ thống này thiết lập cơ sở cho các cấu trúc hệ
thống phức tạp hơn.
Nguồn
thông tin

Bộ phát
quang

Sợi quang

Bộ thu
quang

Người dùng

Hình 5-1 Sơ đồ tuyến kết nối điểm – điểm

Tùy thuộc vào đặc tính nguồn tin đầu vào bộ phát quang là tương tự hay số
mà hệ thống có thể được phân loại thành hệ thống thông tin quang tương tự và hệ
thống thông tin quang số. Mặc dù mỗi loại hệ thống có những tính chất và các yêu
cầu đặc thù riêng nhưng việc thiết kế tuyến kết nối điểm – điểm cho những hệ thống
này vẫn có những quy tắc chung cần xem xét. Quá trình thiết kế một tuyến thông tin
quang điểm – điểm nói chung liên quan đến nhiều tham số đặc tính quan hệ với
nhau nên việc phân tích và thiết kế tuyến thực tế có thể đòi hỏi quá trình lặp vài lần
trước khi hoàn thành đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.Vì các ràng buộc về hiệu
năng và chi phí là những yếu tố quan trọng trong các tuyến thông tin quang sợi nên
kỹ sư thiết kế phải lựa chọn cẩn thận các thành phần hệ thống để đảm bảo mức hiệu
195


năng mong muốn được duy trì trong suốt tuổi thọ dự kiến của hệ thống mà không
xác định quá mức các đặc tính của các thành phần.
Các yêu cầu cơ bản của hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích
tuyến đó là:
-

Khoảng cách truyền dẫn có thể (hoặc mong muốn)

-

Tốc độ dữ liệu hoặc độ rộng băng tần của kênh truyền

-

Tỉ số lỗi bít (BER) hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) yêu cầu

Để đáp ứng được các yêu cầu này kỹ sư thiết kế cần phải lựa chọn các thành
phần và xem xét các đặc tính cơ bản liên quan như sau:
-

Sợi quang đa mode hoặc đơn mode: các tham số cơ bản cần xem xét bao
gồm kích thước lõi, mặt cắt chiết suất, độ rộng băng tần hoặc tán sắc, hệ
số suy hao, khẩu độ số hoặc đường kính trường mode.

-

Bộ phát quang sử dụng nguồn quang LED hoặc laser diode: các tham số
cơ bản cần xem xét bao gồm bước sóng phát, độ rộng phổ, công suất phát
xạ, diện tích phát xạ hiệu dụng, mẫu phát xạ và số lượng mode phát xạ.

-

Bộ thu quang sử dụng PIN hoặc APD: các tham số cơ bản cần xem xét
bao gồm độ đáp ứng, bước sóng hoạt động, tốc độ và độ nhạy thu.

Thông thường sẽ có hai phân tích cơ bản đó là quỹ công suất và quỹ thời
gian lên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu. Tùy thuộc vào hệ thống thông tin quang là
số hay tương tự, các yêu cầu về hiệu năng sẽ khác nhau. Đối với hệ thống thông tin
quang số yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số lỗi bít, còn đối với hệ thống thông
tin quang tương tự yêu cầu hiệu năng cần đảm bảo là tỉ số sóng mang trên nhiễu.
Một số vấn đề về thiết kế các hệ thống này sẽ được đề cập cụ thể trong các phần
sau.

5.1.2 Hệ thống thông tin quang số
Hệ thống thông tin quang số là hệ thống phổ biến hiện nay sử dụng trên các
cấu trúc mạng thông tin. Trong hệ thống thông tin quang số, định dạng điều chế có

ý nghĩa quan trọng để đảm bảo bộ thu có thể tách được thông tin định thời chính
xác từ tín hiệu quang thu được. Kiểu điều chế sử dụng phổ biến hiện nay là điều chế
cường độ (IM) trong đó các bít nhị phân đặc trưng bởi sự thay đổi cường độ quang
đầu ra.

196


Để đảm bảo khả năng tách định thời cho quá trình đồng bộ trong hệ thống
thông tin quang số, mã đường sẽ được sử dụng. Mục đích chính của việc định thời
là để đồng bộ luồng dữ liệu số tại đầu thu và cho phép lấy mẫu tín hiệu tại thời điểm
mà tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt cực đại. Việc sử dụng mã đường ngoài việc đảm bảo
dễ tách tín hiệu định thời thì còn có chức năng giảm thiểu lỗi nhờ đưa thêm các bit
dư vào chuỗi bít dữ liệu. Tuy nhiên việc đưa thêm bít dư cũng đồng nghĩa làm tăng
tốc độ truyền dẫn của dữ liệu hay độ rộng băng tần của tín hiệu. Nếu độ rộng băng
tần càng lớn thì đóng góp nhiễu càng nhiều. Do vậy thường có sự bù trừ giữa khả
năng tách định thời và độ rộng băng tần nhiễu của một mã đường cụ thể.
Các mã đường sử dụng trong thông tin quang thường là các mã nhị phân (2
mức) mặc dù các mã đa mức có thể sử dụng do khả năng dễ dàng trong điều chế.
Các mã đường cơ bản bao gồm mã NRZ (không trở về không), mã RZ (trở về
không) và định dạng mã hóa pha (PE).
Mã NRZ đơn giản nhất là mã NRZ đơn cực có độ rộng băng tần tiêu chuẩn.
Đối với mã này một bít dữ liệu chiếm hết một chu kỳ bít với tín hiệu quang được
điều biến theo định dạng bật tắt (OOK). Một cách cụ thể bít một sẽ được đặc trưng
bởi một xung chiếm hết chu kì bít, còn bít 0 sẽ không có xung phát đi như cho thấy
trong hình 5-2. Mặc dù mã NRZ có độ rộng băng tần nhỏ nhất trong các mã nhưng
công suất trung bình đi vào bộ thu lại phụ thuộc mẫu dữa liệu. Do vậy khi có một
chuỗi bit 1 kéo dài sẽ xảy ra hiện tượng trôi đường nền do sự tích lũy của các đuôi
xung sinh ra từ đặc tính tần số thấp của bộ lọc ghép cặp AC trong bộ thu quang như
cho thấy trong hình 5-3. Hiệu ứng này có thể gây ra lỗi khi sự thời gian phục hồi về

ngưỡng gốc ban đầu bị chậm sau một chuỗi dài bít 1. Thêm nữa một chuỗi dài các
bit 1 hoặc 0 liên tiếp sẽ làm mất thông tin định thời vì không có điểm chuyển tiếp
mức. Để tránh các hiện tượng này quá trình trộn dữ liệu có thể được sử dụng để
đảm bảo sự phân bố đều các bít 1 và 0 trong chuỗi dữ liệu.
Chu kỳ bit

Hình 5-2 Định dạng mã NRZ

197


Xung đơn đầu
vào bộ thu

Xung đơn đầu
ra bộ thu

Đuôi trên xung
đầu ra

Chuỗi các bit 1 đi
vào bộ thu

Chuỗi các bit 1 đi
ra bộ thu

Ngưỡng
quyết định

Trôi đường

nền

Hình 5-3 Hiện tượng trôi đường nền

Tín hiệu đồng hồ

Các điểm
chuyển tiếp

Hình 5-4 Một số định dạng mã RZ

Đối với mã RZ, mỗi bít dữ liệu thường chiếm chỉ một nửa chu kỳ bít nên có
thể coi như được mã hóa thành hai bít mã đường quang. Trong phổ mã này có chứa
thông tin định thời nên dễ dàng được tách hơn so với mã NRZ. Trong mã RZ đơn
cực bit 1 được đặc trưng bởi một xung quang chiếm một nửa chu kỳ bit, còn bít 0 sẽ
không có xung. Do xung quang nhỏ hơn một nửa so với xung quang mã NRZ nên
độ rộng băng tần tín hiệu sẽ tăng gấp đôi khi ở cùng tốc độ dữ liệu. Nhược điểm của
198


mã RZ đơn cực đó là mất thông tin định thời khi có chuỗi bít 0 kéo dài liên tiếp. Để
khắc phục nhược điểm này mã lưỡng pha hay mã Manchester quang có thể được sử
dụng như cho thấy trong hình 5-4.
Ngoài ra, các hệ thống thông tin quang số thường hay sử dụng các mã khối
mBnB. Trong các mã này các khối m bit được chuyển đổi thành n bit (n > m). Việc
đưa thêm vào các bit dư có thể làm tăng băng tần tín hiệu nhưng đổi lại cho phép
tăng khả năng tách định thời và khả năng giám sát lỗi, tín hiệu thu được cũng sẽ
không gặp phải vấn đề trôi đường nền vì loại bỏ được các chuỗi bit 1 và 0 kéo dài.
Thông thường giá trị n là chẵn để đảm bảo độ lệch số lượng các bit 1 và 0 trong từ
mã là nhỏ nhất (tốt nhất là bằng 0). Các tham số cơ bản của mã mBnB bao gồm: tỉ

lệ mã n/m, số lượng các ký hiệu giống nhau dài nhất (Nmax), giới hạn độ lệch tích
lũy (D) và lượng phần trăm các từ mã n bit không được sử dụng. Đặc tính một số
loại mã mBnB điển hình được cho trong bảng 5-1
Bảng 5-1 So sánh một số mã mBnB
Mã

n/m

Nmax

D

W (%)

3B4B

1,33

4

3

25

6B8B

1,33

6

3

75

5B6B

1,2

6

4

28

7B8B

1,14

9

7

27

9B10B

1,11

11

8

24

Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao hiện nay, mã sửa lỗi trước (FEC)
được sử dụng để cải thiện hiệu năng hệ thống. Trong kỹ thuật FEC, các thông tin dư
được phát cùng thông tin gốc, khi dữ liệu gốc bị lỗi thì các thông tin dư được sử
dụng để khôi phục lại. Có nhiều các loại mã sửa lỗi đã được phát triển như các mã
chu trình, mã Hamming, Reed-Solomon, mã xoắn và mã turbo. Trong các mã này,
mã Reed-Solomon được chú ý trong các hệ thống thông tin quang sợi. Các mã
Reed-Solomon (RS) có ký hiệu là RS(n,m) trong đó n bằng với m bít gốc cộng với
các bít dư. Giá trị n được chọn để n = 2k – 1, trong đó k là một số nguyên. Mã ReedSolomon được khuyến nghị bởi ITU cho các hệ thống thông tin quang biển sử dụng
k = 8 và ký hiệu là RS(255,239). Lượng mào đầu hay mức độ dư của mã này chỉ
6,7%. Nhiều mã RS khác có thể được sử dụng với độ dư của mã lớn hơn. Sự lựa
199


chọn mã phụ thuộc vào mức độ cải thiện BER đòi hỏi để hệ thống hoạt động tin
cậy. Mức độ cải thiện được đặc trưng bởi đại lượng độ lợi mã hóa (theo dB) tương
ứng với mức độ cải thiện về hệ số chất lượng Q hay SNR khi sử dụng FEC so với
trường hợp không sử dụng. Hình 5-5 cho thấy đặc tính của một số kiểu mã RS khác
nhau.

Hình 5-5 Độ lợi mã của một số kiểu mã RS để cải thiện hiệu năng hệ thống

5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự
Hệ thống thông tin quang tương tự được sử dụng trong các mạng truyền hình
cáp (CATV) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF). Hình 5-6
cho thấy các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin quang tương tự. Bộ phát
quang có thể sử dụng nguồn LED hoặc LD và cần chú ý xác định điểm định thiên

để đảm bảo tại điểm giữa vùng điều biến tuyến tính. Tín hiệu tương tự sau đó có thể
điều biến sử dụng một số kỹ thuật trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là điều biến
cường độ trực tiếp. Như vậy tín hiệu bản tin được phát trực tiếp ở băng gốc. Một
phương pháp hiệu quả hơn nhưng cũng phức tạp hơn là chuyển dịch tín hiệu băng
gốc lên một sóng mang con điện trước khi điều biến cường độ nguồn quang. Quá
trình này có thể được thực hiện qua một số kỹ thuật cơ bản như điều biến biên độ
(AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM). Đối với quá trình điều biến tín hiệu tương
tự, một số vấn đề cần chú ý đó là méo phi tuyến điều chế, nhiễu điều biến tương hỗ,
nhiễu cường độ tương đối (RIN) trong laser và hiệu ứng xén của laser.
200


Hình 5-6 Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin quang tương tự

Đối với kênh sợi quang, do sự ảnh hưởng của tán sắc gây ra sự phụ thuộc của
biên độ, pha và độ trễ nhóm vào tần số nên phải đảm bảo băng tần tín hiệu truyền
qua sợi có đáp ứng trễ nhóm và biên độ phẳng để tránh méo tuyến tính.
Trong phân tích hiệu năng các hệ thống tương tự, ta thường tính tỉ lệ công
suất sóng mang hiệu dụng trên công suất nhiễu hiệu dụng tại đầu vào bộ thu RF
ngay tiếp sau quá trình tách sóng quang. Tham số này có thể gọi ngắn gọn là tỉ lệ
sóng mang trên nhiễu (Carrier to noise ratio - CNR). Đối với dữ liệu số sử dụng
khóa dịch tần (FSK), biên độ sóng mang duy trì không đổi nhưng pha song mang sẽ
dịch từ một tần số này đến một tần số khác để đặc trưng cho các tín hiệu nhị phân.
Để đáp ứng yêu cầu BER là 10-9 và 10-15 trong trường hợp này thì cần giá trị CNR
tối thiểu là 36 (15.6 dB) và 64 (18 dB) tương ứng. Đối với dữ liệu tương tự, phân
tích sẽ phức tạp hơn vì phụ thuộc vào mức độ cảm nhận chất lượng tín hiệu của
người sử dụng, ví dụ như xem một hình ảnh truyền hình. Nếu sử dụng điều chế biên
độ (AM) thì sẽ đòi hỏi một CNR cỡ 56 dB vì nhu cầu cho hiệu quả băng thông dẫn
đến một tỉ lệ CNR cao. Nhưng trong điều chế tần số (FM) chỉ yêu cầu CNR cỡ 15 –
18 dB.

Trong hệ thống có N yếu tố gây suy giảm tín hiệu, tỉ số CNR tổng được xác
định
N
1
1

CNR i 1 CNRi

(5.1)

trong đó CNRi là tỉ số CNR cho một yếu tố ảnh hưởng cụ thể. Đối với các hệ thống
đơn kênh, các yếu tố suy giảm bao gồm các thăng giáng nhiễu cường độ, hiệu ứng
cắt xén cường độ laser, nhiễu diode thu quang và nhiễu ASE. Đối với hệ thống đa
kênh hoạt động tại các tần số sóng mang khác nhau, có thể thêm ảnh hưởng của
méo phi tuyến.

201


Hình 5-7 Quá trình điều chế laser tín hiệu tương tự

Quá trình điều biến trực tiếp tín hiệu tương tự được mô tả trong hình 5-7. Ở
đây dòng kích thích nguồn quang bao gồm thành phần dòng định thiên một chiều IB
và dòng xoay chiều của tín hiệu tương tự 𝐼𝑑 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝑠 . Nguồn quang hoạt động như
một linh kiện quy luật bình phương, do vậy công suất quang đầu ra 𝑃(𝑡) có dạng
giống như dòng kích thích đi vào nếu điểm định thiên và độ lớn dòng tín hiệu được
xác định thích hợp đảm bảo biến đổi dòng nằm trong vùng tuyến tính của đường
đặc tính P-I của nguồn quang. Nếu giả sử tín hiệu kích thích tương tự ký hiệu là
𝑠(𝑡) thì công suất quang đầu ra được xác định
P(t )  PB 1  ms(t )

(5.2)

trong đó PB là công suất quang đầu ra tại mức dòng định thiên và m là chỉ số điều
chế. Theo đại lượng công suất quang, chỉ số điều chế có thể được xác định
m

Ppeak
PB

(5.3)

Ppeak là giá trị mức công suất quang đỉnh đầu ra. Giá trị điển hình của m trong hệ
thống tương tự nằm trong dải 0,25 đến 0,5.
202


Đối với một tín hiệu tương tự thu được dạng sóng sin, công suất sóng mang
C tại đầu ra bộ thu (đơn vị A2) sẽ là
C

1
2

mMP 

2

(5.4)

trong đó  là đáp ứng của diode thu quang tại M = 1, M là hệ số khuyeechs đại
dòng của diode thu quang (M = 1 cho PIN), 𝑃 là công suất quang thu được trung
bình.
Trong trường hợp hệ thống đơn kênh AM, tỉ số CNR tổng cộng có thể được
xác định cụ thể từ (5.1)
2
 P2  T2  RIN
1
1
1
1






CNR CNRP CNRT CNRRIN
C
C
C

(5.5)

hay có thể viết lại
C
C
 2
2
N

 P   T2   RIN

(5.6)

trong đó 𝐶𝑁𝑅𝑃 , 𝐶𝑁𝑅𝑇 và 𝐶𝑁𝑅𝑅𝐼𝑁 là các tỉ số CNR thành phần bị ảnh hưởng bởi
nhiễu của diode thu quang (gồm chủ yếu nhiễu nổ và nhiễu dòng tối), nhiễu nhiệt
của bộ tiền khuyếch đại và nhiễu RIN tương ứng. Phương sai hay độ lớn của các
thành phần nhiễu này gồm 2𝑃 , 2𝑇 được xác định trong chương 4. Đối với nhiễu
RIN, dòng nhiễu trung bình bình phương 2𝑅𝐼𝑁 được xác định
2
 RIN
 RIN P B

(5.7)

ở đây RIN là tỉ lệ nhiễu trên công suất tín hiệu được đo theo dB/Hz và được định
nghĩa bởi
RIN 

trong đó

PL 2

∆𝑃𝐿

(5.8)

PL2
2

đặc trưng cho độ thăng giáng cường độ trung bình bình phương

của đầu ra laser và 𝑃𝐿 là cường độ ánh sáng laser trung bình. Nhiễu này sẽ giảm khi
tăng cường độ dòng bơm cho laser.
Từ (5.7) và (4.71)-(4.72), tỉ số sóng mang trên nhiễu (5.6) được viết lại thành
1


C
2 mMP

2
N RIN P  B  2qI p  I d M 2 FA B  4k BT RL BFn
2

(5.9)

203


Tùy thuộc vào mức công suất quang đi vào bộ thu, hệ thống hoạt động ở các
điều kiện giới hạn khác nhau. Khi mức công suất quang thu được thấp, tỉ số CNR bị
giới hạn bởi nhiễu nhiệt. Trong trường hợp này công suất quang thu được thay đổi 1
dB thì CNR sẽ thay đổi khoảng 2 dB. Ở mức công suất quang trung bình khi nhiễu
dòng tối của PD nhỏ thì CNR bị giới hạn bởi nhiễu nổ của PD. Trong trường hợp
này, tỉ số CNR thay đổi 1 dB khi mức công suất quang biến đổi 1 dB. Ở mức công
suất quang thu được cao hơn tỉ số CNR có thể sẽ bị giới hạn bởi RIN, khi đó tỉ số
CNR chỉ được cải thiện khi tăng chỉ số điều chế. Hình 5-8 cho thấy dạng biến đổi
CNR theo mức công suất quang tại bộ thu. Tuy nhiên cần lưu ý rằng các yếu tố giới
hạn có thể biến đổi rất nhiều phụ thuộc vào các đặc tính của bộ phát và bộ thu cụ

thể.

Hình 5-8 Sự phụ thuộc tỉ số CNR vào mức công suất quang thu

5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống
Để thiết kế một hệ thống thông tin quang ta cần phải hiểu rõ và xác định
được các yếu tố chính có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Các yếu tố cơ bản
cần xem xét đó là suy hao, tán sắc và tính phi tuyến của sợi quang. Vì các tham số
đặc tính của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng, nên khi thiết kế ta cần xem xét lựa
chọn bước sóng hoạt động của hệ thống cho phù hợp.
Trong hệ thống thông tin quang số, một vài tham số hệ thống thường được
xác định trước khi thiết kế đó là tốc độ bit B và cự ly truyền dẫn L. Mục tiêu thiết
kế đối với các hệ thống thông tin quang là phải đảm bảo hệ thống hoạt động một
204


cách tin cậy trong suốt thời gian tồn tại dự kiến của hệ thống. Yêu cầu chất lượng
này được thể hiện qua tham số BER trong hệ thống thông tin quang số (nhìn chung
BER yêu cầu đối với các hệ thống thông tin quang tối thiểu phải nhỏ hơn 10−9 ).
Thêm nữa khi thiết kế tùy theo yêu cầu về tốc độ và cự ly truyền dẫn của hệ thống
ta có sự lựa chọn phù hợp đối với vùng bước sóng hoạt động cũng như chủng loại
sợi quang, thiết bị phát, thiết bị thu quang phù hợp để đảm bảo có được một hệ
thống thông tin quang đáp ứng được chất lượng theo yêu cầu với chi phí thấp nhất.
Trên thực tế, giá thành của các linh kiện là thấp nhất ở gần bước sóng hoạt động
0,85 μm và tăng khi bước sóng dịch về 1,3μm và 1,55 μm.
Hệ thống thông tin quang có thể phân ra làm 2 loại trong thiết kế: hệ thống bị
giới hạn bởi suy hao và hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc. Phương pháp thiết kế thông
thường đối với các hệ thống thông tin quang đơn giản là dựa trên quĩ công suất và
quỹ thời gian lên đôi khi được coi là quỹ băng thông của hệ thống.

Hình 5-9 Mối quan hệ giữa B và L của hệ thống bị giới hạn bởi suy hao (các đường nét
liền) và hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc (các đường đứt nét). Chấm tròn biểu thị hệ thống
thông tin quang thương mại, hình tam giác hiển thị các hệ thống trong phòng thí nghiệm.

5.2.1Hệ thống bị giới hạn bởi suy hao
Tham số suy hao của sợi quang có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ
thống. Xét một thiết bị phát quang có công suất phát trung bình 𝑃𝑡𝑟 . Nếu thiết bị thu
có độ nhạy thu tại tốc độ bit B là 𝑃𝑟𝑒𝑐 , thì khoảng cách truyền dẫn lớn nhất có thể
đạt được được tính theo công thức sau:

𝐿=

10
α𝑓

𝑙𝑜𝑔10

𝑃𝑡𝑟
𝑃𝑟𝑒𝑐

,

(5.10)

205


Trong đó 𝛼𝑓 là suy hao trung bình của sợi quang (dB/km) bao gồm cả suy hao các
mối hàn và suy hao các connector (bộ nối ghép quang). Sự phụ thuộc của L vào tốc
độ bit là do sự phụ thuộc tuyến tính của 𝑃𝑟𝑒𝑐 theo tốc độ bit B. Chú ý rằng 𝑃𝑟𝑒𝑐 =

𝑁𝑝 𝑕𝐵 trong đó 𝑕 là năng lượng photon, 𝑁𝑝 là số lượng photon trung bình/bit
yêu cầu bởi máy thu.Với bước sóng hoạt động của hệ thống đã được xác định trước,
khoảng cách L giảm đi theo hàm lôgarit khi B tăng. Các đường liền nét trên hình 59 chỉ ra sự phụ thuộc của L theo B khi hệ thống làm việc tại các bước sóng 0,85μm,
1,3μm và 1.55 μm với 𝛼𝑓 =2,5dB/km, 0,4dB/km và 0,25 dB/km tương ứng và mức
công suất phát là 𝑃𝑡𝑟 =1mW ở cả ba bước sóng, trong khi đó 𝑁𝑝 =300 tại λ=0.85 μm
và 𝑁𝑝 =500 ở 1,3μm và 1,55 μm. Giá trị L là nhỏ nhất đối với các hệ thống thế hệ
thứ nhất hoạt động ở bước sóng 0,85 μm do suy hao sợi quang tương đối lớn tại cửa
sổ bước sóng này. Khoảng cách trạm lặp của các hệ thống này bị giới hạn từ 10 đến
25 km, phụ thuộc vào tốc độ và giá trị chính xác của suy hao sợi quang. Ngược lại,
với hệ thống hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1,55 μm, khoảng cách trạm lặp có thể
đạt hơn 100 km.
Căn cứ trên hình 5-9, ta có thể lựa chọn bước sóng hoạt động thích hợp của
hệ thống. Nói chung, hệ thống có thể hoạt động ở vùng bước sóng 0,85 μm nếu B
<200Mb/s và L< 20km. Đối với hệ thống quang cự ly dài và hoạt động ở tốc độ bit
lớn hơn 2 Gb/s thì bước sóng hoạt động nên chọn ở của sổ 1,55 μm.

5.2.2 Hệ thống bị giới hạn bởi tán sắc
Trong chương 2 đã đề cập đến ảnh hưởng của dãn rộng xung ánh sáng do
hiện tượng tán sắc gây ra làm giới hạn tích BL như thế nào. Khi khoảng cách truyền
dẫn bị giới hạn do hiện tượng tán sắc xảy ra trong sợi quang ngắn hơn khoảng cách
truyền dẫn bị hạn chế do suy hao sợi (tính theo công thức (5.10), thì hệ thống được
xem là bị giới hạn do tán sắc. Các đường đứt nét trên hình 5-9 chỉ ra khoảng cách
truyền dẫn bị giới hạn bởi tán sắc là một hàm phụ thuộc tốc độ bit. Với các vùng
bước sóng hoạt động khác nhau của hệ thống, các nguyên nhân gây ra tán sắc cũng
khác nhau. Dưới đây sẽ xem xét các trường hợp một cách riêng biệt:
Với hệ thống hoạt động ở bước sóng 0,85 μm: hệ thống này thường sử
dụng sợi quang đa mode để có giá thành tối thiểu. Như đã đề cập trong chương 2,
tán sắc chủ yếu trong sợi đa mode là tán sắc mode. Trong trường hợp sử dụng sợi đa
mode chiết suất bậc (MM-SI), ta có BL = c/(2𝑛1 Δ). Giới hạn BL này cũng được thể

hiện trên hình 5-9 với sợi có n1=1,46 và Δ=1%. Quan sát trên hình 5-9 có thể thấy
206


rằng, ngay cả khi ở tốc độ bit 1Mb/s, hệ thống quang sử dụng sợi MM-SI cũng bị
giới hạn bởi tán sắc, và khoảng cách truyền dẫn của chúng < 10km. Chính vì lý do
này, các sợi quang MM-SI ít khi được sử dụng trong thiết kế hệ thống thông tin
quang. Thay vào đó, người ta thường sử dụng sợi đa mode có chiết suất biến đổi
(MM-GI). Với sợi quang này, giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắc mode gây ra sẽ
được cải thiện đáng kể. Trong trường hợp này, tích BL=2c/(n1Δ2) được biểu thị trên
hình 5-9 cho thấy rằng khi sử dụng sợi MM-GI, hệ thống thông tin quang 0,85 μm
bị giới hạn bởi suy hao hơn là bị giới hạn bởi tán sắc ở tốc độ bit có thể lên đến100
Mb/s. Hệ thống thông tin quang thương mại đầu tiên được đưa vào sử dụng năm
1980, sử dụng sợi MM-GI, hoạt động với tốc độ bit 45 Mb/s với khoảng lặp dưới 10
km.
Với hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động ở vùng bước sóng 1,3 μm:
Hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử dụng sợi đơn mode chuẩn, hoạt động ở
vùng bước sóng 1,31 μm, là vùng có tán sắc nhỏ nhất của sợi đơn mode chuẩn. Như
đề cập trong chương 2, tán sắc chủ yếu ở đây là tán sắc màu với độ lớn tán sắc phụ
thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang. Trong trường hợp này, tích BL bị giới hạn
bởi công thức (2.125) như sau:
BL ≤ (4|D|σλ ) −1

(5.11)

Với σλ là độ rộng phổ hiệu dụng của nguồn quang (RMS). Giá trị của |D| điển hình
ở vùng tán sắc bằng không là ~ 1ps/(nm.km). Quan sát trên hình 5-9 cho thấy, khi
|D|σλ = 2ps/km, tán sắc sẽ giới hạn tích BL ≤ 125 (Gb/s).km. Nhìn chung, các hệ
thống như vậy bị giới hạn bởi suy hao khi tốc độ bit lên đến 1Gb/s và sẽ bị giới hạn
bởi tán sắc đối với tốc độ bit cao hơn.

Với hệ thống sử dụng sợi đơn mode hoạt động ở vùng bước sóng 1,55
μm: Các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ 3 và thứ 4 hoạt động ở vùng 1,55μm,
vùng có suy hao nhỏ nhất. Tuy nhiên,với với sợi quang đơn mode chuẩn, vùng này
tán sắc lớn (16 ps/nm-km). Để khắc phục vấn đề này cần sử dụng các laser bán
dẫn đơn mode. Khi đó, giới hạn của tích BL được cho bởi công thức (2.129) như
sau:

𝐵2 L <(16 𝛽2 ) −1

(5.12)

Trong đó 𝛽2 là tham số có liên quan đến D theo phương trình (2.82). Hình 5-9 cho
thấy giới hạn này bằng cách chọn 𝐵 2 L = 4000(GB/s)2 .km. Như vậy hệ thống
1,55μm bị giới hạn bởi tán sắc khi B > 5Gb/s. Trên thực tế, sự chirp tần xung quang
207


sinh ra do điều chế trực tiếp gây ra một giới hạn nghiêm trọng hơn nhiều. Sự chirp
tần ảnh hưởng thông qua việc mở rộng phổ của xung quang. Sử dụng công thức
(5.11) với D=16 ps/(nm.km) và σλ = 0,1 nm, ta có BL ≤150(Gb/s)-km. Kết quả là,
sự chirp tần sẽ giới hạn khoảng cách truyền dẫn đến 75 km tại B = 2 Gb/s, trong khi
khoảng cách bị giới hạn bởi suy hao có thể vượt quá 150 km. Vấn đề chirp tần số
được giải quyết bằng cách sử dụng bộ điều biến bên ngoài cho hệ thống hoạt động ở
tốc độ bit> 5 Gb/s.
Một giải pháp cho vấn đề tán sắc là sử dụng sợi dịch tán sắc có đặc tính suy
hao và tán sắc nhỏ nhất ở cửa sổ1,55 μm. Hình 5-9 cho thấy sự cải thiện hiệu năng
của hệ thống bằng cách sử dụng phương trình (5.12) với |𝛽2 | = 2p𝑠 2 /km. Các hệ
thống này có thể hoạt động ở tốc độ 20 Gb/s với khoảng cách lặp cỡ 80km. Sự cải
thiện có thể đạt được hơn nữa khi hệ thống thông tin quang hoạt động sát với bước
sóng tán sắc bằng không, tuy nhiên việc này không phải lúc nào cũng khả thi vì sự

biến đổi tính chất tán sắc của các sợi quang dọc theo tuyến truyền dẫn. Trên thực tế,
sự chirp tần làm hệ thống khó đạt được những giới hạn như chỉ ra ở hình5-9. Năm
1989, hai thí nghiệm được thực hiện đã chứng minh truyền dẫn hơn 81 km tại tốc độ
11 Gb/s và hơn 100 km tại 10 Gb/s bằng cách sử dụng laser bán dẫn có chirp thấp
cùng với sợi dịch tán sắc. Hình tam giác trong hình 5-9 cho thấy hệ thống này hoạt
động khá gần với giới hạn cơ bản được xác định bởi tán sắc sợi quang. Truyền dẫn
ở khoảng cách lớn hơn sẽ đòi hỏi phải sử dụng các kỹ thuật quản lý hay bù tán sắc
trong hệ thống mà sẽ được đề cập trong nội dung của môn học khác.

5.2.3 Quỹ công suất quang
Mục đích tính toán quĩ công suất trong thiết kế là bảo đảm công suất đến
máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian tồn tại của hệ thống.
Công suất thu trung bình nhỏ nhất yêu cầu để hệ thống có thể hoạt động tin cậy
được gọi là độ nhạy của máy thu, ký hiệu là 𝑃𝑟𝑒𝑐 . Gọi 𝑃𝑡𝑟 là công suất phát trung
bình, khi đó ta có:

𝑃𝑡𝑟 = 𝑃𝑟𝑒𝑐 +𝐶𝐿 +𝑀𝑠

(5.13)

Trong đó 𝐶𝐿 là tổng suy hao của tuyến truyền dẫn, 𝑀𝑠 là công suất dự phòng hệ
thống. Công suất dự phòng này là công suất được để dành ra nhằm bù lại sự mất
mát công suất có thể xảy ra trong khoảng thời gian khai thác của hệ thống, ví dụ
như do sự xuống cấp của các thiết bị trên tuyến, hoặc do các sự cố mà ta không
lường trước được. Khi thiết kế người ta thường để độ dự phòng khoảng 4-6 dB.
208


Tổng suy hao tuyến truyền dẫn 𝐶𝐿 bao gồm tất cả các nguồn suy hao có thể có: suy
hao sợi quang, suy hao các connector và suy hao các mối hàn. Nếu gọi 𝛼𝑓 là hệ số

suy hao của sợi quang (dB/km), 𝐶𝐿 được tính như sau:
𝐶𝐿 = α𝑓 𝐿 + α𝑐𝑜𝑛 + α𝑠𝑝𝑙𝑖𝑐𝑒

(5.14)

Với 𝑐𝑜𝑛 và 𝛼𝑠𝑝𝑙𝑖𝑐𝑒 là suy hao các connector và suy hao các mối hàn dọc theo
tuyến truyền dẫn quang.
Sử dụng các công thức (5.13) và (5.14) có thể ước tính được khoảng cách
truyền lớn nhất có thể đạt được đối với các phần tử quang trên tuyến đã được lựa
chọn trước.

5.2.4 Quỹ thời gian lên
Mục đích của tính toán quỹ thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có khả
năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn. Ngay cả trong trường hợp băng
thông các thành phần riêng lẻ của hệ thống lớn hơn tốc độ bit, vẫn có thể xảy ra
trường hợp hệ thống có thể không hoạt động được ở tốc độ bit đó. Khái niệm thời
gian lên được sử dụng để phân bổ băng thông giữa các thành phần trong hệ thống.
Thời gian lên 𝑇𝑟 của một hệ thống tuyến tính được định nghĩa là thời gian trong
khoảng đó đáp ứng tăng từ 10 đến 90% của giá trị đầu ra cuối khi đầu vào thay đổi
dạng bậc. Hình 5-10 minh họa khái niệm này.
Trong một hệ thống tuyến tính, giữa băng thông Δ𝑓 và thời gian lên 𝑇𝑟 có
mối quan hệ nghịch đảo. Có thể hiểu dễ dàng mối quan hệ này thông qua việc xem
xét mạch RC đơn giản như là một hệ thống tuyến tính. Khi điện áp đầu vào qua một
mạch RC thay đổi dạng bậc từ 0 đến 𝑉0 , điện áp đầu ra sẽ thay đổi như sau:
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝑉0 [1 − exp − 𝑡 𝑅𝐶 ]

(5.15)

trong đó R là điện trở và C là điện dung của mạch RC. Quỹ thời gian lên được tính
theo công thức sau:

𝑇𝑟 = 𝑙𝑛9 𝑅𝐶 ≈ 2,2𝑅𝐶

(5.16)

209


Hình 5-10 Thời gian lên 𝑇𝑟 trong hệ thống tuyến tính bị giới hạn băng thông

Biến đổi công thức (5.15), ta có hàm truyền đạt H(f) của mạch RC được tính theo
công thức sau:
H(𝑓 ) = 1 + 𝑖2𝜋𝑓𝑅𝐶

−1

(5.17)

Băng thông của mạch RC tương ứng với tần số tại đó |H(𝑓)|2 = ½ và được xác
định theo công thức Δ 𝑓 = (2𝜋𝑅𝐶) −1 . Áp dụng công thức (5.16), ta có mối quan
hệ giữa Δ 𝑓 và 𝑇𝑟 như sau:

𝑇𝑟 =

2,2
2𝜋Δ 𝑓

=

0,35

(5.18)

Δ𝑓

Quan hệ nghịch đảo giữa thời gian lên và băng thông của hệ thống được duy
trì cho bất kỳ hệ thống tuyến tính nào. Tuy nhiên tích 𝑇𝑟 Δ 𝑓của các hệ thống này có
thể khác 0,35. Trong thông tin quang, ta có thể sử dụng điều kiện𝑇𝑟 Δ 𝑓 = 0,35 như
là một chỉ dẫn an toàn cho việc thiết kế tuyến. Quan hệ giữa dải thông Δ 𝑓 và tốc độ
bit B phụ thuộc vào mã điều chế được sử dụng. Trường hợp mã trở về không (RZ),
Δ 𝑓 = B và B𝑇𝑟 = 0,35. Ngược lại, trong trường hợp mã không trở về không (NRZ)
Δ𝑓

B/2 và B𝑇𝑟 = 0,7. Trong cả 2 trường hợp, tốc độ bit cụ thể quyết định giới

hạn trên lớn nhất cho thời gian lên mà hệ thống có thể chấp nhận được. Khi thiết kế
hệ thống phải đảm bảo 𝑇𝑟 nhỏ hơn giá trị lớn nhất cho phép, tức là:

𝑇𝑟 ≤

0,35/𝐵 𝑐𝑕𝑜 𝑅𝑍
0,70/𝐵 𝑐𝑕𝑜 𝑁𝑅𝑍

(5.19)

Ba thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi đều có thời gian lên
riêng biệt. Nếu gọi 𝑇𝑡𝑥 , 𝑇𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟 và 𝑇𝑟𝑥 là thời gian lên tương ứng của máy phát, sợi
quang và máy thu, thời gian lên tổng cộng của toàn hệ thống có thể tính gần đúng
như sau :
𝑇𝑟 2 = 𝑇𝑡𝑥 2 + 𝑇𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟 2 + 𝑇𝑟𝑥 2

(5.20)

210


Thời gian lên của máy phát 𝑇𝑡𝑥 , được xác định chủ yếu bởi các thành phần điện tử
của mạch điều khiển và các phần tử ký sinh điện liên quan đến nguồn quang.
Thường Ttx khoảng vài nano giây đối với thiết bị phát sử dụng LED, nhưng có thể
nhỏ hơn 0,1 ns đối với thiết bị phát sử dụng laser. Thời gian lên của bộ thu Trx được
xác định chủ yếu bởi băng tần điện 3 dB của mạch tiền khuyếch đại trong bộ thu.
Có thể dùng công thức (5.18) để tính 𝑇𝑟𝑥 nếu băng tần của mạch tiền khuyếch đại
được xác định.
Thời gian lên của sợi quang 𝑇𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟 tổng quát bao gồm sự đóng góp của cả
tán sắc mode và tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ được tính theo hệ thức
𝑇𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟 2 = 𝑇𝑚𝑜𝑑𝑎𝑙 2 + 𝑇𝐺𝑉𝐷 2

(5.21)

Trong đó 𝑇𝑚𝑜𝑑𝑎𝑙 là độ dãn xung gây ra do tán sắc mode và 𝑇𝐺𝑉𝐷 là độ dãn xung
gây ra do tán sắc vận tốc nhóm trong sợi quang. Đối với sợi đơn mode 𝑇𝑚𝑜𝑑𝑎𝑙 = 0
và 𝑇𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟 = 𝑇𝐺𝑉𝐷 .

5.3 Bù công suất
Độ nhạy của máy thu quang trong một hệ thống thông tin quang bị ảnh
hưởng bởi một số hiện tượng vật lý mà khi k ết hợp với sợi tán sắ c trong sơ ̣i quang
sẽ làm suy gi ảm SNR tại mạch quyết định trong bộ thu quang. Các hiện tượng làm
suy giảm độ nhạy thu đó là : nhiễu mode, giao thoa giữa các ký tự và dãn xung do
tán sắc , nhiễu cạnh tranh mode, chirp tầ n số và nhiễu phản xạ . Trong phầ n này
chúng ta xem xét chấ t lươ ̣ng hệ thống bị ảnh hưởng bởi tán sắc sơ ̣i quang như thế

nào khi có xét đến sự thiệt thòi về công suất do các hiê ̣n tươ ̣ng trên gây ra. Nói cách
khác, để đảm bảo chất lượng hệ thống theo yêu cầu đặt ra thì một lượng công suất
có thể cần được bổ sung để bù lại sự thiệt thòi do các hiện tượng trên gây ra.

5.3.1 Bù công suất do nhiễu mode
Nhiễu mode xuất hiện trong hệ thống sử dụng sợi quang đa mode. Trong quá
trình lan truyền trong sợi đa mode, sự giao thoa giữa các mode lan truyề n trong sơ ̣ i
quang đa mode sẽ tạo ra một mẫu cường độ không ổn định ở bộ tách sóng quang .
Sự không đồng đều trong phân bố cường độ bản thân không ảnh hưởng tới chấ t
lươ ̣ng của bộ thu vì chất lượng bộ thu liên quan đến công suất tổng trên diện tích bề
mặt diode thu quang. Tuy nhiên nế u mẫu phân bố cường độ đó biến đô ̣ng theo thời
gian, sẽ dẫn đến sự thăng giáng công suấ t thu vì thế làm g iảm SNR. Sự biến đô ̣ng
này được gọi là nhiễu mode. Nhiễu mode luôn xảy ra trong sơ ̣i đa mode do các dao
211


đô ̣ng cơ học và do vi uốn cong. Ngoài ra, các mối hàn và connector hoạt động như
các bộ lọc không gian . Do vậy, bất kỳ sự thay đổi the o thời gian trong quá trình lọc
không gian này đều được chuyển thành các bi ến đô ̣ng c ủa mẫu cường độ và tăng
cường nhiễu mode. Nhiễu mode bi ̣ảnh hưởng mạnh bởi đô ̣ rô ̣ng phổ nguồ n quang
Δ vì sự giao thoa mode chỉ xuấ t hiê ̣n nế u thời g ian kết hợp (Tc≈ 1/ Δ) lớn hơn độ
dãn xung ΔT do tán sắc mode gây ra. Đối với các máy phát sử dụng LED có Δ đủ
lớn (Δ ≈ 5THz) thì điều kiện này không được thỏa mãn . Phầ n lớn các hê ̣ thố ng
thông tin quang sử du ̣ng sơ ̣i đa mode thì cũng sử du ̣ng nguồn quang LED để tránh
vấn đề nhiễu mode.
Nhiễu mode trở nên nghiêm tro ̣ng khi sử dụng nguồn quang laser bán dẫ n
cùng với sợ i quang đa mode. Để đánh giá độ nhạy thu bị suy giảm do nhiễu mode,
người ta tính toán BER khi có thêm ảnh hưởng của nhiễu mode. Hình 5-11 chỉ ra độ
thiệt thòi công suất với BER là 10-12 đươ ̣c tin
́ h cho hê ̣ thố ng thông tin quang hoạt

động ở bước sóng 1.3μm tố c đô ̣ 140Mb/s. Sơ ̣i quang sử dụng ở đây là sợi MM-GI
có đường kính lõi 50μm và có 146 mode. Mức độ thiệt thòi công suất phụ thuộc vào
suy hao ghép mode xảy ra ta ̣i các mố i hàn và connector

. Nhiễu mode cũng phụ

thuô ̣c số lượng mode do ̣c trong phổ của laser bán dẫn. Dễ nhâ ̣n thấ y , mức độ thiệt
thòi về công suất giảm khi số lượng mode do ̣c tăng vì sự giảm thời gian kết hợp của
nguồn quang.
Nhiễu mode cũng có thể xuấ t hiê ̣n trong các hê ̣ thố ng sử dụng sợi quang đơn
mode nếu như giữa hai connector hay mố i hàn là các đoạn sợi ngắn. Mô ̣t mode bâ ̣c
cao có thể đươ ̣c kić h t hích tại điểm đầu tiên sơ ̣i cáp bị gián đoạn (ví dụ như tại mố i
hàn đầu tiên) và sau đó được chuyển đổi lại thành mode cơ bản ta ̣i conector hay mố i
hàn thứ hai. Vì trong sợi đơn mode, các mode bậc cao này không thể truyền đi xa từ
điểm được kích hoạt, nên ảnh hưởng của nhiễu mode có thể được loại bỏ nếu như
đảm bảo được khoảng cách giữa các mối hàn, giữa các connector lớn hơn 2m. Nói
chung, nhiễu mode không phải là vấn đề đối với hệ thống thông tin quang sử dụng
sợi đơn mode nếu như hệ thống được thiết kế và bảo dưỡng cẩn thận.

212


Hình 5-11 Công suấ t giảm do nhiễu mode. Tham số M là tổ ng số mode do ̣c khi mà công
suấ t của nó vươ ̣t quá 10% công suấ t đỉnh.

5.3.2 Bù công suất do nhiễu phần mode
Nhiễu phần mode (MPN) sinh ra từ laser bán dẫn đa mode . Hiê ̣n tươ ̣ng này
xảy ra do sự không tương quan giữa các că ̣p mode do ̣c . Mặc dù tổng công suất
quang phát ra có thể là không đổi, nhưng MNP sẽ làm cho cường độ của từng mode
bị thăng giáng tương đối lớn. Khi không có tán sắc trong s ợi quang, MNP không

ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống vì khi đó tấ t cả các mode vẫn đươ ̣c duy trì đồ ng
bô ̣ trong suố t quá trình truyề n dẫn và tách sóng quang. Tuy nhiên trong thực tế , do
ảnh hưởng của tán sắc vận tốc nhóm, các mode này sẽ lan truyền với vận tốc hơi
khác nhau và trở nên không đồng bộ. Điều này gây nên sự thăng giáng dòng quang
điện tại bộ thu và dẫn đến sự suy giảm SNR. Để duy trì chất lượng hệ thống (đạt
được BER yêu cầu như khi không có MNP), một lượng công suất cần phải được bù
để tăng SNR của hệ thống. Ảnh hưởng của MPN đến chất lượng của hệ thống đã
được nghiên cứu đối với cả nguồn laser bán dẫn đa mode và nguồn laser gần đơn
mode.
Trong trường hợp laser bán dẫn đa mode, mức thiệt thòi về công suất do
MNP gây ra được tính theo công thức sau:
2

 mpn  5 log10 1  Q 2 rmpn

(5.22)

Trong đó rmpn là mức nhiễu tương đối của công suất thu được khi có MPN và có thể
được xác định qua mô hình đơn giản sau
213




rmpn  k





2 1  exp  BLD  

2



(5.23)

với σλ là độ rộng RMS của mode và k là hệ số cạnh tranh mode liên hệ với hệ số
tương quan chéo γcc theo 𝑘 =

1 − 𝑐𝑐 . Giá trị của k được xác định trong khoảng

01. Rất khó xác định giá trị của k và giá trị này khác nhau đối với các nguồn laser
khác nhau. Các phép đo thực nghiệm cho thấy các giá trị của k thường nằm trong
khoảng 0,6-0,8 và khác nhau đối với từng cặp mode.
Có thể dùng phương trình (5.22) và (5.23) để tính toán mức độ thiệt thòi về
công suất do MPN gây ra. Hình 5-12 cho thấy độ thiệt thòi công suất tại BER bằng
10-9 (Q = 6) là một hàm của tham số tán sắc chuẩn hóa BLDσλ đối với một vài giá trị
của k. Quan sát trên hình 5-12 ta thấy, đối với một giá trị đã cho của k, δmpn tăng
nhanh theo BLDσλ và đạt giá trị vô cùng khi BLDσλ đạt đến giá trị tới hạn. Với k >
0,5, độ thiệt thòi công suất sẽ rất lớn khi BLDσλ lớn hơn 0,15. Tuy nhiên, độ thiệt
thòi cũng có thể được giảm xuống tới mức không đáng kể (δmpn < 0,5 dB) nếu hệ
thống thông tin quang được thiết kế sao cho BLDσλ < 0,1.

Hình 5-12 Độ thiệt thòi công suất do MPN gây ra phụ thuộc BLDσλ đối với nguồn laser
bán dẫn đa mode có độ rộng phổ hiệu dụng σλ . Các đường cong khác nhau tương ứng với
các giá trị khác nhau của hệ số phân bố mode k.

5.3.3 Bù công suất do dãn xung bởi tán sắc

Hầu hết các hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng sợi đơn mode có tán
sắ c vận tốc nhóm giới hạn tích BL như đã phân tích trong chương 2. Bên cạnh đó,
214


dãn xung do tán sắc gây ra cũng làm suy giảm độ nhạy của bộ thu. Sự dãn xung do
tán sắc ảnh hưởng tới hiệu năng bộ thu theo hai cách sau:
-

Thứ nhấ t, mô ̣t phầ n năng lươ ̣ng xung bị trải rộng ra khỏi khe bit cấp phát và
gây ra giao thoa giữa các ký tự (ISI).

-

Thứ hai, năng lươ ̣ng xung trong mỗi khe bit bi ̣giảm khi xung quang bi ̣dañ
rộng ra. Điều này làm giảm SNR tại mạch quyết định . Để vẫn duy trì chấ t
lươ ̣ng của hê ̣ thố ng theo yêu cầ u thi SNR cần được duy trì tại một mức xác
định, do vậy công suấ t trung bin
̀ h tại bộ thu đòi hởi phải lớn hơn. Đây chiń h
là nguồn gốc của sự thiệt thòi về công suấ t do giañ xung gây ra (δd).
Việc tính toán chính xác giá trị d là công việc khó vì nó phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, ví dụ như dạng xung tại bộ thu. Trong trường hợp đơn giản giả sử xung có
dạng Gauss, thì độ thiệt thòi về công suất δd (tính theo dB ) có thể đươ ̣c tính theo
công thức sau:
 d  10 log10 f b

(5.24)

Trong đó fb là hệ số dãn xung.

Đối với hệ thống thông tin quang sợi được thiết kế sử dụng nguồn quang
băng rộng thì fb có thể đươ ̣c xác định theo công thức sau



f b    0  1  DL   0 



2 1/ 2

(5.25)

Với σλ là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn quang được giả định là có phân bố
Gauss và σ0 là độ rộng xung hiê ̣u du ̣ng (rms) tại bộ phát quang có thể liên hệ với
chu kỳ độ rộng dc của xung RZ như 40 = 𝑑𝑐 𝑇𝑏 , trong đó 𝑇𝑏 = 1/𝐵 là độ rộng khe
bit tại tốc độ B xác định. Sử dụng 0 = 𝑑𝑐 (4𝐵) vào (5.25) và sử dụng (5.24), độ
thiệt thòi công suất sẽ là



 d  5 log10 1  4BLD  d c 2



(5.26)

Đối với hệ thống khoảng cách lớn được thiết kế sử dụng nguồn quang phổ
hẹp và xung không có chirp tần, độ thiệt thòi công suất sẽ được xác định bởi



 d  5 log10 1  8 2 B 2 L d c2 

2



(5.27)

Hình 5-13 cho thấy độ thiệt thòi công suất như là một hàm của tổ hợp tham số

 = 2 𝐵2 𝐿 cho ba giá trị dc. Mặc dù độ thiệt thòi có thể bỏ qua đối với các giá trị

215


 < 0,05 và dc > 0,5 nhưng nó sẽ tăng nhanh theo  và lớn hơn 5 dB khi  = 0,1 và
dc = 0,5. Do vậy nó rất quan trọng để giữ  nhỏ hơn 0,1.

Hình 5-13 Độ thiệt thòi công suất do tán sắc gây ra phụ thuộc  = 2 𝐵2 𝐿 đối với ba giá
trị chu kỳ độ rộng xung của một luồng bit RZ.

5.3.4 Bù công suất do chirp tần
Hiện tượng chirp tần xung quang sinh ra từ điều chế trực tiếp nguồn laser
bán dẫn sẽ có thể tăng cường sự dãn xung do tán sắc sợi và do đó làm suy giảm chất
lượng của hệ thống như đã đề cập ở chương 2 và 3. Việc tính toán chính xác độ
thiệt thòi về công suất do chirp gây ra (δc) cũng không dễ dàng vì chirp tần số phụ
thuộc vào cả dạng và độ rộng của xung quang. Trong trường hợp đối với xung dạng
Gauss và chirp tuyến tính, độ thiệt thòi công suất có thể được ước tính qua hệ số

dãn xung có chirp trong (5.24) cùng với 𝑇0 = 2𝑑𝑐 (4𝐵) như sau



 c  5 log10 1  8C 2 B 2 L d c2   8 2 B 2 L d c2 
2

2



(5.28)

216


Hình 5-14 Công suất giảm do chirp gây ra là hàm B2L đối với một vài giá trị của tham số
chirp C.

Hình 5-14 cho thấy độ thiệt thòi công suất do chirp gây ra như là hàm của
𝛽2 𝐵2 𝐿 cho một vài giá trị hệ số chirp C với dc = 1. Tham số 2 được lấy giá trị âm
trong trường hợp đối với hệ thống thông tin quang hoạt động tại vùng bước sóng
1,55m. Đường cong tại C = 0 tương ứng với trường hợp xung không có chirp. Độ
thiệt thòi về công suất có thể bỏ qua (<0,1 dB) trong trường hợp lý tưởng này khi
𝛽2 𝐵2 𝐿<0,05. Tuy nhiên, độ thiệt thòi có thể vượt quá 5 dB nếu xung phát bị chirp
với C = -6. Để độ thiệt thòi công suất dưới mức 0,1 dB thì hệ thống cần được thiết
kế sao cho 𝛽2 𝐵2 𝐿<0,002. Đối với sợi đơn mode chuẩn có 2  -20 ps2/km, B2L bị
giới hạn tại 100 (Gb/s)2-km, chỉ ra rằng thậm chí tại B = 2,5Gb/s thì khoảng cách
truyền dẫn có thể bị giới hạn nhỏ hơn 16 km vì chirp tần. Nhưng hiệu năng hệ thống
có thể được cải thiện khi đảm bảo 2C < 0. Vì C có giá trị âm đối với nguồn laser

bán dẫn nên các sợi có tán sắc thường (2 > 0) có thể cho hiệu năng tốt hơn khi các
laser bán dẫn điều biến trực tiếp được sử dụng. Cũng vì lý do này mà các sợi có
GVD thường hay được sử dụng trong mạng vùng đô thị (MAN). Thay vào đó ta có
thể sử dụng kỹ thuật bù tán sắc và đảm bảo giá trị 2 trung bình gần về không.

5.3.5 Bù công suất do nhiễu phản xạ
Trong hầu hết hệ thống thông tin quang luôn có một phần nhỏ ánh sáng bị
phản xạ ngược trở lại do tính không liên tục của chỉ số chiết suất xảy ra trên tuyến
217


sợi quang như tại các mối hàn, mối nối và các điểm đầu cuối sợi quang. Các ảnh
hưởng của sự phản xạ này có thể làm suy giảm đáng kể đặc tính của hệ thống thông
tin quang. Ngay cả khi chỉ có một lượng nhỏ ánh sáng được phản hồi trở lại cũng có
thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của các nguồn laser bán dẫn và có thể dẫn đến
nhiễu trội tại đầu ra của bộ phát. Ngay cả khi sử dụng một bộ cách ly giữa bộ phát
và sợi quang thì các phản xạ qua lại giữa các mối hàn, mối nối có thể tạo ra nhiễu
cường độ bổ sung và làm giảm chất lượng của bộ thu.
Hầ u hế t mo ̣i hiê ̣n tươ ̣ng phản xa ̣ ánh sáng trong tuyến sợi quang đề u sinh ra
tại bề mă ̣t phân cách giữa thủy tinh và không khí . Độ phản xạ trong trường hợp này
đươ ̣c tính theo công thức Rf = (nf − 1)2/(nf + 1)2, trong đó nf là chiết suấ t của vâ ̣t
liê ̣u làm sơị quang. Đối với sợi thủy tinh Rf = 3.6% (−14.4 dB) nếu nf = 1,47. Giá trị
Rf có thể tăng lên 5,3% nếu các đầu sợi được mài bóng, vì việc đánh bóng có thể tạo
ra một lớp bề mặt mỏng có chiế t suấ t khoảng 1,6. Trong trường hơ ̣p nhiều phản xạ
qua lại xảy ra giữa hai mối hàn hoặc mố i nố i , sự phản xạ hồi tiếp có thể tăng lên
mô ̣t cách đáng k ể vì hai bề mặt phản xạ sẽ hoạt động như hai gương của một bộ
giao thoa Fabry–Perot. Khi điều kiện cô ̣ng hưởng thỏa mãn, độ phản xạ sẽ tăng lên
đến 14% đố i với bề mă ̣t không được đánh bóng và trên 22% với bề mă ̣t được đánh
bóng. Như vậy, rõ ràng một phần công suất phát đi đã bị phản xạ trở lại một cách
đáng kể. Để làm giảm sự phản xạ này, kỹ thuật phổ biế n được dùng là sử du ̣ng ch ất

lỏng ở dạng dầ u hay gel ph ối hợp chiế t suấ t tại các tiếp giáp thủy tinh – không khí.
Trong một số trường hợp, người ta có thể cắt vát hoặc làm cong bề mặt đầu sợi để
ánh sáng phản xạ lại lệch khỏi trục của sợi quang. Với các kỹ thuật này, công suất
ánh sáng phản xạ ngược trở lại sẽ giảm xuống dưới mức 0,1%.
Nguồn laser bán dẫn đă ̣c biê ̣t nha ̣y cảm với phản xạ quang. Hoạt động của
laser có thể bị ảnh hưởng bởi độ phản xạ dù ở mức rất nhỏ (cỡ -80dB). Ảnh hưởng
nghiêm tro ̣ng nhất của ánh sáng phản xạ là làm phổ của laser bị hẹp lại hoặc dãn
rộng, tùy thuộc vào vị trí bề mặt phản xạ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do
pha của ánh sáng phản xạ gây ra nhiễu loạn lớn đến pha của ánh sáng phát ra từ
nguồn laser. Những biến đổi về pha này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng
của hệ thống thông tin quang coherent. Đối với các hệ thống thu trực tiếp, chất
lượng của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiễu cường độ nhiều hơn là nhiễu pha.
Sự phản xạ quang cũng có thể làm tăng đáng kể nhiễu cường độ. Nhiều thí
nghiệm đã cho thấy sự tăng cường nhiễu cường độ do phản xạ xảy ra tại các tần số
tương ứng với nguyên lần khoảng cách mode của hộp cộng hưởng ngoài. Có một số
cơ chế mà qua đó nhiễu cường độ tương đối (RIN) của laser bán dẫn có thể tăng
218


cường bởi sự hồi tiếp quang do phản xạ. Sự tăng cường nhiễu cường độ do phản xạ
gây ra bởi tập các mode dọc khoảng cách sát nhau của hộp cộng hưởng ngoài có
khoảng cách được xác định giữa bề mặt đầu ra của laser và bề mặt tiếp giáp thủy
tinh – không khí gây ra phản xạ. Số lượng và biên độ của các mode cộng hưởng phụ
thuộc vào mức độ phản xạ. Trong trường hợp này, sự tăng cường RIN là do sự
thăng giáng cường độ của các mode bên sinh ra do phản xạ. Một nguồn tăng cường
RIN khác có nguồn gốc từ sự hỗn loạn do phản xạ trong laser bán dẫn.
Độ thiệt thòi công suấ t do nhiễu phản xạ gây ra (ref) được tính theo công
thức sau:
2
𝛿𝑟𝑒𝑓 = −10log10 1 − 𝑟𝑒𝑓𝑓

𝑄2

(5.29)

trong đó reff là nhiễu cường độ tính hiệu dụng trên băng tần của bộ thu Δf và được
tính theo công thức sau:
2
𝑟𝑒𝑓𝑓
=

1 ∞
2𝜋 −∞

𝑅𝐼𝑁 𝜔 𝑑𝜔 = 2(𝑅𝐼𝑁)∆𝑓

(5.30)

Trong trường hợp phản xạ quang gây ra các mode cộng hưởng ngoài, reff có thể
được tính bằng cách sử dụng mô hình đơn giản hơn như sau:
2
𝑟𝑒𝑓𝑓
≈ 𝑟𝐼2 + 𝑁/ 𝑀𝑆𝑅

2

(5.31)

trong đó rI là mức nhiễu tương đối khi không có sự phản xạ, N là số lượng các mode
cộng hưởng ngoài và MSR là hệ số nén các mode cộng hưởng ngoài. Trên hình 515 thể hiện độ thiệt thòi công suất do nhiễu phản xạ thay đổi theo MSR với các giá
trị N khác nhau khi rI = 0,01. Độ thiệt thòi công suất có thể bỏ qua trong trường hợp

không có phản xạ (N = 0). Tuy nhiên, nó sẽ tăng khi N tăng và MSR giảm. Thực tế,
độ thiệt thòi về công suấ t sẽ vô cùng lớn khi MSR giảm xuống dưới một giá trị tới
hạn. Nói cách khác sự phản xạ có thể làm suy giảm chất lượng hệ thống ở mức độ
hệ thống có thể không đạt được BER yêu cầu dù có sự tăng về công suất thu như có
thể thấy qua đường cong BER do phản xạ có một nền lỗi xảy ra. Nói chung hầu hết
các hệ thông thông tin quang sợi hoạt động đảm bảo khi độ phản xạ nhỏ hơn -30dB.
Vấn đề phản xạ này có thể được loại trừ bằng việc sử dụng một bộ cách ly quang
trong bộ phát.

219