Giáo trình Quang điện tử và Thông tin quang

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 1 -
CHƯƠNG Ι
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUANG -ĐIỆN TỬ VÀ
THÔNG TIN QUANG SỢI
MỞ ĐẦU
Từ khi laser ra đời trong những năm 60 của thế kỷ XX, ngành Quang -điện tử
đ
ã phát triển cực kỳ mạnh mẽ và có ứng dụng trong hầu hết các thiết bị từ quân
s
ự, công nghiệp cho đến dân dụng. Tuy nhiên, lĩnh vực ứng dụng có hiệu quả
nhất các kết quả nghiên cứu của quang -điện tử chính là thông tin và cảm biến.
T
ại Việt nam, chuyên ngành quang-điện tử đã được nghiên cứu và giảng dạy tại
một số Viện nghiên cứu và tại các Trường Đại học từ những năm 60-70 của thế
kỷ trước. Một số kết quả nghiên cứu về quang-điện tử tại Việt nam đã góp phần
đán
g kể trong cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước, trong việc triển khai có
hi
ệu quả cao mạng thông tin cáp quang và tiếp thu công nghệ cao từ bên ngoài
trong quá trình công nghi
ệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập quốc tế hiện nay.
M
ặc dù đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng ngành công nghiệp quang-điện tử
hiện đại của Việt nam vẫn chưa được phát triển đúng với nhu cầu chung của
quốc gia, hầu hết các linh kiện quang -điện tử đều phải nhập từ bên ngoài làm
cho gíá thành các thi
ết bị quang -điện tử chế tạo ở trong nước rất khó cạnh tranh
trên th
ị trưòng. Ngoài ra, kinh phí để duy trì và bảo hành các thiết bị quang-điện
tử , đặc biệt là các thiết bị thông tin quang hiện có, cũng còn rất cao.

Giáo trình này trình bày c
ơ sở vật lý của các linh kiện quang -điện tử ứng
d
ụng trong thông tin quang và cảm biến quang gồm: môi trường truyền dẫn tín
hi
ệu quang, linh kiện phát tín hiệu quang, linh kiện thu và xử lý tín hiệu quang,
thi
ết bị khuếch đại quang. Ngoài ra, giáo trình trình bày sơ lược hệ thống truyền
thu tín hiệu quang là cơ sở để phát triển các linh kiện và thiết bị quang -điện tử
ứn
g dụng trong thông tinvà cảm biến.
§1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin

Các mốc phát triển quan trọng :
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 2 -
 Năm 1866-1876: đường thông tin telex và telephone với tốc độ truyền
thu cỡ vài chục KHz.
 Năm 1940: hệ thống cáp đồng trục có 300 đường thoại với tốc độ
truyền thu 3MHz
H
ạn chế của cáp đồng trục: suy hao tín hiệu phụ thuộc tần số, với tốc độ
lớn hơn 10MHz suy hao tăng vọt.
 Năm 1948: hệ thống viba (siêu cao tần) có sóng mang đến 4GHz với
tốc độ bít đạt 100 Mb/s. Hệ thống viba hiện đại có tốc độ bít 274Mb/s được lắp
đặt năm 1975.
Hạn chế của hệ thống viba: cần các trạm lặp trên khoảng cách ngắn, tốc
độ bít hạn chế bởi tần số sóng mang.
Thông số quan trọng của hệ thống thông tin là thông số khoảng cách x tốc
độ bít (

BL), trong đó B là tốc độ bít và L là khoảng cách các trạm lặp.
Thông số BL cho hệ thống viba đạt 100 (Mb/s)-km trong những năm 1970.
 Năm 1960:
o Sợi dẫn quang được nghiên cứu chế tạo từ thuỷ tinh silica ( SiO
2
),
h
ệ số suy hao quang khoảng 1000 dB/km.
o Laser bán dẫn được nghiên cứu chế tạo, dòng ngưỡng rất cao, nhiệt
độ l
àm việc thấp, thời gian sống ngắn.
 Năm 1970:
o Hệ số suy hao sợi dẫn quang bằng thuỷ tinh giảm xuống còn 20
dB/km t
ại bước sóng λ=1μm
o Laser bán dẫn GaAs làm việc tại nhiệt độ phòng, dòng ngưỡng
giảm xuống còn vài chục mili-ampere đối với laser công tắc dải. Trong những
năm 70, hệ
thống thông tin quang sợi bắt đầu phát triển.
 Năm 1980: hệ thống thông tin quang đầu tiên được đưa vào hoạt động.
Bước sóng laser trong v
ùng 0.8μm (GaAlAs/GaAs), tốc độ bít 45Mb/s, khoảng
cách lặp 10km. Ý nghĩa để phát triển hệ thống nằm trong khoảng cách lặp lớn
hơn hệ thống viba và do đó giảm giá th
ành lắp đặt và duy trì. Trong những năm
này, laser bán dẫn InGaAs/InP có bước sóng phát tại 1310 nm được chế tạo khá
hoàn thiện. Bước sóng 1310 nm có độ suy hao trong sợi quang khoảng 1dB/km
(1980) và hệ số tán sắc cực tiểu là đối tượng nghiên cứu ứng dụng rất mạnh
trong thời gian này cho hệ thống thông tin quang.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội

- 3 -
 Đầu những năm 80 (1982-1983): hệ thống Thông tin quang thế hệ ІІ
sử dụng laser 1310 nm bắt đầu được sử dụng. Thời gian đầu, tốc độ bít chỉ đạt
100Mb/s do sử dụng sợi đa mốt. Khi sợi đơn mốt được đưa vào sử dụng, tốc độ
bít đ
ã được tăng lên rất cao. Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310 nm có
t
ốc độ bít 1,7Gb/s với khoảng cách lặp 50km đã trở thành hàng hoá thương mại.
Hệ số suy hao trong sợi ~ 0,5dB/km t ại b ước sóng 1310 nm.
 Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ ІІІ sử dụng laser bán dẫn
bước sóng 1
550 nm (Laser InGaAsP) có độ suy hao trong sợi quang cỡ
0,2dB/km đ
ã được thương mại hoá. Tốc độ bít đã đạt đến 2,5Gb/s và sau đó đã
đạt đến 10Gb/s. Tuy nhiên, hệ số tán sắc trong sợi quang tại bước sóng 1550 nm
khá cao (16-18ps/km.nm)
, do đó hạn chế khoảng cách lặp của hệ thống 1550
nm mặc dù quỹ công suất quang còn bảo đảm dài hơn. Đặc trưng khoảng cách
lặp của thế hệ ІІІ là 60-70km tại tốc độ bít 2,5Gb/s. Khi sử dụng các loại sợi
quang bù tán sắc kiểu dịch tán sắc (DSF) hoặc làm phẳng tán sắc (DFF), khoảng
cách lặp sẽ tăng lên hơn 100km.
 Thế hệ thứ ІV của thông tin cáp quang là sử dụng khuếch đại quang để
tăng khoảng cách lặp v
à ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc
độ bít
trong một sợi quang .
Khu
ếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất
cho suy hao quang trong các khoảng cách lớn hơn 100km. EDFA được nghiên
c

ứu thành công trong phòng thí nghiệm năm 1987 và trở thành thương phẩm
năm 1990. Năm 1991 lần đầu ti
ên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử
nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách 21.000km và 5Gb/s
trên kho
ảng cách 14.300km.
Năm 1996 hệ thống thông tin cáp quang dưới biển có tốc độ 5Gb/
s trên
kho
ảng cách 11.300km sử dụng EDFA được đưa vào sử dụng, năm 1997 hệ
thống Âu – Á có tên FLAG có tốc độ bít 5Gb/s và khoảng cách 27.000km đã
đưa vào hoạt động. Hệ thống cáp quang vòng quanh châu Phi (Africa One) có
kho
ảng cách 35.000km cũng đã đước lắp đặt trong năm 1997.
Sử dụng công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM)
làm tăng dung lượng thông tin quang một cách đáng kể. Khuếch đại quang
EDFA có thể khuếch đại toàn bộ các bước sóng quang trong dải 1525-1575nm
mà không c
ần phải tách từng bước sóng. Trong năm 1996 đã thử nghiệm tuyến
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 4 -
truyền dẫn 20 bước sóng quang với tốc độ bít của từng bước sóng là 5Gb/s trên
kho
ảng cách 9100km. Tốc độ bít của tuyến đã đạt 100Gb/s và BL là 910 (Tb/s)-
km.
Trong năm 2000 hệ thống TPC-6 xuyên Đại Tây Dương có tốc độ bít
100Gb/s đ
ã được đưa vào hoạt động.
Có thể tổng kết rằng BL của hệ thống đã tăng rất nhanh tử 1Gb/s - km
đến 900Tb/s – km chỉ trong vòng 25 năm.

 Thế hệ thứ V của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết
vấn đề tán sắc trong sợi quang. Khuếch đại quang đã giải quyết rất hoàn hảo sự
suy hao quang trong sợi nhưng không giải quyết được vấn đề tán sắc. Rất nhiều
phương án
bù trừ tán sắc đã được phát triển và sử dụng, tuy nhiên sự giải quyết
dứt điểm vấn đề tán sắc trong sợi quang sẽ dựa trên hiệu ứng Soliton quang.
Hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Chúng dựa trên
cơ sở tương tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang
cực ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao.
Năm 1994 hệ Solito
n thử nghiệm truyền tín hiệu 10Gb/s trên khoảng cách
35.000km và 15Gb/s trên khoảng cách 24.000km. Năm 1996 hệ thống WDM
có 7 bước sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9400km với tốc dộ bít 70Gb/s.
Vấn đề của Soliton đang gặp phải hiÖn nay là nguồn phát tín hiệu quang
với xung cực ngắn cỡ picô giây có độ ổn định cao chưa được hoàn thiện để sử
dụng trong hệ thống.
§2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin
2.1. Hệ thống thông tin tín hiệu tương tự và tín hiệu số
 Tín hiệu tương tự: liên tục theo thời gian, biên độ thay đổi.
 Tín hiệu số: giá trị gián đoạn, chỉ có 2 mức 0 và 1 → gọi là bit (binary
digit). M
ỗi bit có khoảng thời gian T
B
gọi là chu kỳ bit (hoặc bit slot).
Đại lượng B chỉ số bit trong 1 giây gọi là tốc độ bit:
-1
B
B = T
Tín hiệu tương tự và số đều đặc trưng bởi băng tần của chúng. Băng tần
được đo bằng dung lượng phổ của tín hiệu v

à biểu thị vùng phổ tần số của tín
hiệu.
Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số bằng kỹ thuật lấy mẫu
trong khoảng thời gian của tín hiệu.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 5 -
Tốc độ lấy mẫu được xác định bằng băng tần Δf của tín hiệu tương tự. Theo
Nyquist, tần số lấy mẫu f
s
≥ 2Δf. Bước đầu của quá trình là lấy tương tự tại tần số
bên phải. Gía trị mẫu có thể lấy bất kỳ giá trị nào trong khoảng 0 ≤ A ≤ A
max
,
trong đó A
max
là biên độ cực đại của tín hiệu tương tự. Chia A
max
cho M khoảng
gián đoạn, mỗi giá trị mẫu được lấy sẽ tương đương với một giá trị gián đoạn n
ày
và ta có M giá tr
ị mẫu. Tạp âm của tín hiệu tương tự ký hiệu là A
N
(cường độ tạp
âm rms), ta sẽ có M > A
max
/A
N
và A
max

/A
N
là vùng động lực của tín hiệu.
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm được tính bằng biểu thức:

SNR = 20 log
10
max
N
A
A
 
 
 
(1.1)
t
rong đó A
max
, A
N
là biên độ (dòng hoặc thế) của tín hiệu.
Các giá trị mẫu có thể chuyển đổi thành các tín hiệu số (digital format) theo
một kỹ thuật chuyển đổi thích hợp. Trong thông tin quang sợi, kỹ thuật chuyển
Lấy mẫu
Dòng bít số
00
1010 1101
1
11111 01
Tín hiệu Analog

t
t
t
Hình 1.1. Sơ đồ tốc độ lấy mẫu cho tín hiệu số
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 6 -
đổi phổ biến là điều chế xung mã hoá (PCM: Pulse-Code Modulation). Mã nhị
phân được sử dụng để chuyển đổi giá trị mẫu th
ành bit “1” và “0”. Số lượng bit
m cần thiết để mã hoá mỗi mẫu liên hệ với số mức của giá trị mẫu M theo quy
luật sau:
M = 2
m
→ m = log
2
M (1.2)
T
ốc độ bit trong PCM sẽ là:
B = m.f
s
≥ (2Δf)log
2
M (1.3)
Ta có: M > A
max
/A
N
và : SNR = 20 log
10
max

N
A
A
 
 
 


log
2
10 ≈ 3.33
V
ậy : B > (Δf/3)SNR (1.4)
SNR có đơn vị là decibel (dB).
 Xét chuyển đổi sang tín hiệu số:
Tín hiệu âm thanh điện thoại có tần số trong dải 0.3-3.4KHz, ta có Δf =
3,1KHz, với điều kiện SNR = 30dB ta có tốc độ bít B > 31Kb/s. Trên thực tế
tín hiệu số âm thanh thoại B = 64Kb/s, tốc độ lấy mẫu f
s
= 8KHz (khe thời
gian lấy mẫu 125μm) và mỗi mẫu được đặc trưng bởi 8 bit.
Tín hiệu video: Δf = 4MHz ; SNR = 50dB B
min
= 66Mb/s.
Trên th
ực tế tín hiệu hình số cần tốc độ bít 100Mb/s hoặc lớn hơn.
2.2. Trộn kênh
Kênh thoại số hoạt động tại tốc độ bít là 64Kb/s, mỗi đường truyền quang
có thể truyền với tốc độ hàng trăm Mb/s vì vậy cần phải trộn kênh để truyền
đồng thời nhiều k

ênh thoại. Có 2 cách trộn kênh cơ bản: trộn theo phân chia
thời gian (Time-Division multipexing: TDM) và trộn theo phân chia tần số
(Frequency-Divíion multiplexing: FDM).
Tr
ộn kênh theo TDM:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 7 -
Nếu mỗi kênh thoại nén xung đến 3μs, ta có thể trộn 5 kênh theo kỹ thuật TDM
( xem hình 2).
Tr
ộn kênh FDM: Mỗi kênh được truyền tải bằng tần số sóng mang riêng biệt.
FDM tích hợp với cả tín hiệu tương tự và số. Nếu hiểu theo nghĩa rộng trong
quang học FDM cũng là WDM tại phổ quang.
TDM được sử dụng phổ biến trong
kỹ thuật có phân cấp (digital hierarchies)
Hi
ện nay có các phương thức trộn kênh sau:
B
ắc Mỹ và Nhật: trộn 24 kênh thoại với tốc độ 1,544Mb/s (DS-1)
Châu Âu: tr
ộn 30 kênh thoại với tốc độ 2,048Mb/s
T
ốc độ bít lớn hơn tích số lượng bít nhân với 64Kb/s là do phải nhồi thêm các
bít ki
ểm tra để tách kênh tại đầu thu.
15

s
3s
Biên độ

5 1
2
3 4
5
1 2 3
Thời gian
Hình 1. 2. Slot 15μs cho 1 kênh thoại tại tốc độ bit có 64kb/s trộn 5 kênh
Biên độ
Kênh 1
Kênh 2 Kênh 3
f
1
f
2
f
3
Tần số
Hình 1.3. Phân bố kênh theo t ần số FDM
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 8 -
Các tốc độ bít 1,544Mb/s ở Mỹ, Nhật và 2,048Mb/s ỏ Châu Âu là mức phân cấp
số І. Các mức phân cấp tiếp theo nhận được bằng cách nhân với 4 từ các mức
phân cấp gần kề.
Thí dụ: Phân cấp ІІ:
DS-2 có tốc độ bít 6,321Mb/s Mỹ, Nhật và 8,448Mb/s Châu Âu
Các phân c
ấp bậc 5: 396Mb/s → Mỹ-Nhật vµ 565Mb/s → Châu Âu
Trong những năm 80, hệ thống tiêu chuẩn mới gọi là “Mạng quang đồng
bộ” (Synchronous optical network–SONET) đã được thiết lập. Tiêu chuẩn này
d

ựa trên cơ sở cấu trúc đồng bộ khung cho các tín hiệu truyền TDM. Khối xây
dựng cơ sở của SONET có tốc độ bit 51,84Mb/s (OC-1 : Optical Carrier-1) và
kh
ối xây dựng cơ sở của SDH là 155,52Mb/s (STM-1: Synchronous Transport
Module -1 )
Bảng 1 : Tốc độ bit của SONET/SDH
Sonet SDH B (Mb/s) Số kênh
OC-1 51,84 672
OC-3 STM-1 155,52 2016
OC-12 STM-4 622,08 8064
OC-48 STM-16 2418,32 32256
OC-192 STM-64 9953,28 129024
2.3. Phương thức điều chế
Có 2 phương thức điều chế bít thông tin quang: RZ (về 0) và NRZ (không về 0).
Thí dụ có dòng bit số 010110 được mã theo phương thức RZ và NRZ

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 9 -
RZ→ xung quang đại diện cho bít “1” ngắn hơn bít slot và trở về 0 trước khi hết
chu kỳ. Băng tần gấp đôi tốc độ bít.
NRZ→ xung quang bao hết bit slot và không trở về “0” giữa các bít “1” liên
ti
ếp. Băng tần bằng tốc độ bit.
RZ là phương thức điều chế tiện lợi cho hệ thống
thông tin Soliton.
Xét phương trình sóng quang trước khi điều chế:
( ) cos( )
o
E t eA t
 

 
r
r
)

(1.5)
E
r
(t) - vectơ điện trường
e
r
)
- vectơ đơn vị của phân cực
A - biên độ
ω
o
- tần số sóng điện trường
Ta có thể chọn: điều chế theo biên độ A (Amplitude modulation-AM), điều
chế theo tần số ω
o
(Frequency modulation-FM) hoặc điều chế theo pha Φ (Phase
modulation-PM).
Điều chế tín hiệu số có thể áp dụng: điều chế khoá dịch biên
độ (Amplitude Shift Keying-ASK) điều chế khoá dịch tần số (FSK) và điều chế
khoá dịch pha (PSK) tương đương với dịch biên độ, tần số và pha của sóng
mang gi
ữa 2 mức của tín hiệu số nhị phân. Kỹ thuật đơn giản nhất là thay đổi
cường độ tín hiệu giữa hai mức, một mức trong đó l
à 0 → gọi là khoá tắt-mở
(on-off Keying–OOK). Đa số hệ thống thông tin quang áp dụng OOK kết hợp

với PCM.
Tín hiệu RZ
0 1 0 1 1 0
Tín hiệu NRZ
Thời gian
Thời gian
Hình 1.4. Sơ đồ mã điều chế RZ (trên) và NRZ (dưới)
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 10 -
§3. Hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang gồm phần phát tín hiệu quang, môi trường truyền dẫn
kênh quang và phần thu và xử lý tín hiệu quang.
Môi trường truyền dẫn quang được chia l
àm 2 loại: Truyền trong sợi quang và
truy
ền trong không gian. Tuyến truyền dẫn quang chia ra 2 loại tuyến truyền
dẫn đường dài và tuyến ngắn. Sự phân chia này phụ thuộc vào khoảng cách
tuyến dẫn. Tuyến đường dài có dung lượng rất lớn gọi là đường trục (trunk
line) và có các bộ lặp. Tuyến ngắn áp dụng cho các tuyến nội hạt và nối giữa
các thành phố.
3.1. Các linh kiện của hệ thống thông tin quang
Phát quang: là nguồn phát quang gồm điốt phát quang (LED) hoặc laser bán
d
ẫn (LD) được ghép với bộ điều chế và bộ ghép kênh quang. Điều chế điện
quang được chia l
àm 2 loại: điều chế trực tiếp DIM (Direct Intensity
Modulation) h
ặc điều chế làm 2 loại: điều chế ngoài EM (External Modulation).
Công su
ất quang vào trong tuyến truyền dẫn là thông số quang trong cho thiết

đường truyền quang. Công suất quang thường được tính bằng mW hoặc bằng
dBm:
P(dBm) = 10 log
10
( P
đo
/1mW) (1.6)
Ta th
ấy: 1 mW tương ứng 0 dBm, và 1μW tương ứng với -30dBm.
Thu quang: là các bộ thu quang bằng phôtôdiốt và chuyển đổi tín hiệu quang
thành tín hiệu điện ban đầu. Bộ thu quang bao gồm bộ ghép kênh quang và linh
Phát tín hiệu
quang
Môi trường
truyền dẫn
quang
Thu tín hi
ệu
quang
Tín hi
ệu ra
Tín hiệu vào
Hình1. 5. Sơ đồ khối đường truyền thông tin
quang
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 11 -
kiện thu, photodiode và bộ giải điều chế. Bộ giải điều chế được thiết kế thích
hợp với phương thức điều chế của hệ thống. Các phương thức FSK và PSK
được áp dụng cho các hệ thống thông tin quang kết hợp, trong đó có các bộ
heterodyne và homodyne. Thông dụng nhất là các bộ giải điều chế trực tiếp “1”-

“0” g
ọi là điều chế cường độ với tách sóng trực tiếp (IM/DD).
Thông số quang trọng của bộ thu là đọ nhạy đầu thu (Receiver sesitivity) liên
quan đến tỷ số bít (Bit-error rate–BER). BER~10
-9
cho các hệ thống thông tin
dưới Gb/s, ~10
-11
cho các hệ thống bậc Gb/s và có thể lên đến 10
-14
cho các hệ
thống dung lượng cực lớn. Các thông số tạp âm của bộ thu ảnh hưởng đến chất
lượng thông tin v
à BER. Tạp âm nhiệt, tạp âm khuếch đại và tạp âm lượng tử là
nh
ững thành phần ảnh hưởng lớn đến thông số của bộ thu quang.
Các thành phần của hệ thống thông tin quang bao gồm:
o Khuếch đại quang: khuếch đại bán dẫn, khuếch đại sợi quang.
o Bộ chia-ghép kênh quang (coupler): bằng sợi hoặc bằng linh kiện quang
học.
o Bộ điều chế và chuyển mạch quang: bằng tinh thể phi tuyến quang hoặc
bằng cấu hình sợi quang kiểu giao thoa kế.
o Bộ cách ly quang chỉ cho ánh sáng đi qua 1 chiều.
o Bộ phân cực quang (tạo phân cực, kiểm soát phân cực) bằng tinh thể sợi
quang hoặc phối hợp sợi quang-điện trường.
o Bộ lọc quang bằng cấu trúc giao thoa kế Fabry-Perot hoặc bằng cách tử
Các linh kiện và thành phần hệ thống thông tin quang sẽ lần lượt được nghiên
c
ứu ở các chương sau.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội

- 12 -
CHƯƠNG II.
SỢI QUANG
Sợi quang là môi trường truyền dẫn quang lý tưởng dựa trên hiệu ứng phản
xạ toàn phàn trong sợi quang. Sợi quang hiện đại có hệ số suy hao quang rất nhỏ
trong các cửa sổ 0,85; 1,3 và 1,5μm như sau: ~ 3dB/km cho vùng 0,85μm ~
0,4dB/km cho 1,3μm v
à 0,2dB/km cho 1,5μm. Một số sợi quang đặc biệt có
tính chất duy trì phân cực quang, khuếch đại tín hiệu quang hoặc bù trừ tách sắc
quang.
§1. Cấu trúc sợi quang theo quang hình
Sợi quang là các ống hình trụ có cấu trúc lõi dẫn quang và lớp bọc với chiết suất
nhỏ hơn lớp lõi (n
1
> n
2
). Cấu trúc lõi-bọc của sợi quang được chia thành 2 loại:
- Chiết suất nhảy bậc (Step index).
- Chiết suất thay đổi tuần tự (Graded index).
1.1. Cấu trúc chiết suất nhảy bậc (Step-index)
Tia sáng vào sợi quang theo góc θ
r
so với trục đối xứng của sợi quang. Theo
định luật khúc xạ ta có:

n
o
sinθ
i
= n

1
sinθ
r
(2.1)
trong đó n
o
: chiết suất không khí
n
1
: chiết suất lõi sợi quang
Trong sợi quang, tia sáng chỉ phản xạ toàn phần khi góc tới của nó đến biên
phân cách lõi-b
ọc đáp ứng điều kiện:

sin 
c
≥ n
2
/ n
1
(2.2)
trong đó n
1
- chiết suất lớp lõi; n
2
- chiết suất lớp bọc


Vỏ bảo vệ
r

Bọc
Lõi
n
1
n
2
n
0
n
1
n
2
n
0

i

r

n
Lớp bọc n
2
Lõi
Tia dẫn
Hình 2.1. Mặt cắt của sợi quang (trái) và sơ đồ tính khẩu độ số NA
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 13 -
Điều kiện phản xạ toàn phần:
2
1

arcsin
c
n
n


(2.3)
Ta th
ấy: θ
r
=
2
c



; trong đó
c

được tính theo (2.3).
Thay vào (2.1) ta có:
2 2
0 1 1 2
sin os ( )
i c
n n c n n
 
  
(2.4)
Tương tự như trong lý thuyết thấu kính, n

o
sinθ
i
gọi là khẩu độ số (NA) của sợi
quang:

1
2 2
2
1 2
NA = (n - n )
(2.5)
V
ới trường hợp n
1
≈ n
2
, ta có thể phân chia:
(n
1
2
–n
2
2
)
1/2
= [(n
1
+n
2

)(n
1
–n
2
)]
1/2
=n
1
1/ 2
1 2
1
2
n n
n
 
 

 
 
 
 
= n
1
(2Δ)
1/2
(2.6)
v
ới
1 2
1

n n
n

 
- độ lệch chiết suất tỷ đối
và
Δn = n
1
–n
2
- độ lệch chiết suất tuyệt đối
NA =
n
1
(2Δ)
1/2
(2.7)
T
ừ (2.7) ta thấy Δ lớn sẽ cho hệ số ghép quang cao. Tuy nhiên do tán sắc
giữa các mốt trong sợi quang tăng cao khi NA tăng sẽ không có lợi cho truyền
thông tin dạng số trong sợi. Xét tán sắc giữa các mốt, ta thấy một xung ánh sáng
sẽ mở rộng trong quá trình truyền dẫn do quang trình của các tia khác nhau. Từ
hình vẽ ta thấy quang trình ngắn nhất do các tia có góc tới θ
i
=0, và độ dài quang
trình chính b
ằng độ dài sợi quang. Quang trình dài nhất do các tia có góc tới θ
i
thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần tới hạn theo (2.4). Độ dài của quang trình
này s

ẽ là
sin
c
L

, với L là độ dài sợi quang. Tốc độ lan truyền ánh sáng trong lõi
s
ợi là
1
c
V
n

, vậy thời gian trễ giữa tia truyền thẳng và tia phản xạ tới hạn sẽ là:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 14 -
Δt
2
1 1
2
sin
c
n n
L L
L
c c n

 
   
 

 

(2.8)
Th
ời gian trễ này làm xung quang bị dãn nở trong quá trình truyền trong sợi.
T
ốc độ bít B và Δt liên hệ với nhau theo quy luật: Δt phải nhỏ hơn chu kỳ
bít (bit slot) của chuỗi xung :
Δt < T
B
trong đó T
B
1
B

,
ta có Δt.B <1 (2.9)
V
ậy điều kiện tới hạn của giá trị tốc độ bit-khoảng cách lặp phải tuân thủ
phương tr
ình sau:

BL
<
L
BL
T


<

2
2
1
n
c
n 
(2.10)
Thí d
ụ: sợi quang là sợi thuỷ tinh với lớp bọc là không khí, ta có n
1
=1,5, n
2
=1
5
2
1 3.10 /
0,4 / _
1,5
0,5
1,5
km s
BL Mb s Km 
 
 
 
Để sợi quang có BL lớn, Δ<0,01. Thí dụ BL<100Mb/s-km khi = 2.10
-3
.
Trong s
ợi quang còn tồn tại các tia xiên, tuy nhiên các tia xiên không ảnh hưởng

đến kết quả của công thức (2.8).
1.2. Sợi quang chiết suất tuần tự (Graded-Index)
Ý tưởng: Nếu chiết suất giữa lõi sợi quang lớn và chiết suất giảm dần đến biên
phân cách lõi / b
ọc thì tốc độ lan truyền của các tia thẳng và tia phản xạ lan truyền
sẽ khác nhau, do đó sẽ làm giảm độ lệch quang trình giữa các tia và làm tăng BL.
Quy luật thay đổi n theo bán kính sợi được mô tả như sau:

1
1n
a


 
 
  
 
 
 
 
 
ρ<a
n(ρ)
=
(2.11)

 
1 2
1n n   
ρ≥a

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 15 -
với a - bán kính lõi sợi.
Khi α lớn, sợi sẽ
có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, α = 2 sợi có chiết suất thay đổi
dạng parabol.
Hình 2.2 : Mặt cắt của sợiquang có cấu trúc chiết suât thay đổi tuần tự
Quỹ đạo của các tia biên được tính theo công thức:
2
2
1d dn
dz n d



(2.12)
Trong đó z là trục lan truyền quang (trục sợi quang), ρ là khoảng cách tính từ
trục quang.
Với α = 2, ρ<a, phương trình (2.12) có nghiệm:
   
0
0
cos sinpz pz

 

 
 
 


 

(2.13)
t
rong đó
1/ 2
2
2
a

 
 
 
 
, ρ
o
và ρ
o
’ là vị trí và hướng của tia vào sợi. Phương trình
(2.13) cho th
ấy các tia đều lặp lại vị trí và hướng tại toạ độ z = (2m/P), với m
là s
ố nguyên. Sợi quang cấu trúc chiết suất parabol sẽ không có tán sắc giữa các
mốt. Kết luận trên chỉ đúng với các tia gần đúng paraxial. Trong thực tế cần
phải nghiên cứu tán sắc giữa các mốt trong sợi quang chiết suất thay đổi tuần tự
bằng phương trình lan truyền sóng.
n
2
a
n

2
n
1
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 16 -
Tỷ số
t
L

, trong đó Δt là độ trễ lớn nhất trong sợi quang có độ dài L, phụ thuộc
vào hệ số α. Tính toán chi tiết cho thấy: n
1
=1,5; Δ = 0,01 tán sắc giữa các mốt
nhỏ nhất khi α = 2(1-Δ) và chỉ phụ thuộc vào Δ như sau:
2
1
8
n
t
L c



(2.14)
Và ta biết
: t <
1
B

vậy

BL
<
2
1
8c
n 

(2.15)
S
ợi quang chiết suất thay đổi tuần tù có tốc độ bit 100Mb/s trên khoảng cách
100km (10Gb/s-km) là lớn nhất. Tốc độ bit x khoảng cách (BL) của sợi quang
chiết suất thay đổi tuần tự đã tăng lên 3 bậc so với sợi quang chiết suất nhảy bậc
khi có cùng bán kính.
Tuy nhiên đa số sợi quang chiết suất thay đổi tuần tự có
bán kính lõi l
ớn (~50-100μm) và sử dụng cho tuyến thông tin quang đa mốt. Sợi
quang đơn mốt có cấu trúc chiế
t suất nhảy bậc không thể khảo sát bằng lý
thuyết quang hình, vì vậy phải nghiên cứu chúng trong lý thuyết quang sóng.
§ 2. Truyền dẫn sóng trong sợi quang
2.1. Phương tr
ình truyền dẫn sóng
Sự truyền dẫn sóng quang trong sợi quang có thể tính toán được khi sử dụng các
phương tr
ình Maxwell cho sóng điện từ.
Phương tr
ình Maxwell cho các môi trựờng không có điện tích tự do gồm 4
phương tr
ình sau:

B
E
t

  

r
r
;
D
H
t

 

r
r
(2.16)
. 0D 
r
;
. 0B 
r
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 17 -
Trong đó
E
r
,

H
r
- vectơ điện và từ trường;
D
r
,
B
r
vectơ cảm ứng của điện và từ
trường.
0
D E P

 
r r r
;
0
B H M

 
r r r

(2.17)
v
ới
0

- hằng số điện môi trong chân không;
0


- hằng số từ thẩm trong chân
không.
P
r
và
M
r
là véc-tơ phân cực cảm ứng của điện và từ trường. Trong vật
liệu SiO
2
(vật liệu thuỷ tinh làm sợi quang)
0M 
r
vì chúng không có các chất
nhiễm từ.
Phân cực cảm ứng điện
P
r
và véctơ điện trường
E
r
có mối liên quan phi
tuy
ến theo biểu thức:
     
0
, , ' , ' 'P r t X r t t E r t dt




 

r r r
r r

(2.18)
X là m
ột tenxơ bậc ІІ , và giảm xuống bậc І trong môi trường đẳng hướng SiO
2
.
T
ừ các phương trình Maxwell (2.16) ta có:

2 2
0
2 2 2
1 E P
E
c t t

 
   
 
r r
r

(2.19)
0 0
1
c

 


là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Phân gi
ải Fourier điện trường
       
, , ,E r t E r E r t exp i t dt
 


 

r r r
r r r
%
ta sẽ thu được phương trình :

 
2
2
,E r E
c

 
 
  
 
 
r r

r
% %
(2.20)
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 18 -
với hằng số điện môi ε phụ thuộc vào tần số ánh sáng
   
, 1 ,r X r
  
 
s r
%
và
 
,X r

r
%
là phân giải Fourier của
 
,X r t
r
trong biểu thức (2.16).
 
,r
 
r
là số
phức, thành phần thực của ε liên quan đến chiết suất môi trường và thành phần
ảo của nó li

ên quan đến hệ số hấp thụ của môi trường.
2
.
2
i c
n



 
 
 
 
(2.21)
 
1/ 2
1 ReX
m
n
I X
nc


 
 

 
 
%
%

(2.22)
Bi
ến đổi



2 2
.E E E E       
r r r r
% % %
(
. 0E 
r
%
).
Ta có phương trình truyền sóng
E
r
trong môi trường n là:
 
2 2 2
0
0E n K E

  
r r
% %
(2.23)
trong đó K

0
là số sóng trong chân không :

0
2
K
c
 

  
(2.24)
2.2.
Các mốt trong sợi quang
Các m
ốt trong sợi quang là các nghiệm riêng của phương trình (2.23) với các
điều kiện bi
ên phù hợp và có tính chất không thay đổi trong quá trình truyền
dẫn. Sợi quang giả thiết có cấu trúc chiết suất nhảy bậc, hình trụ đối xứng qua
trục z. Sử dụng toạ độ trụ cho phương trình (2.23) với các toạ độ ρ, ф và z ta có:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 19 -

2 2 2
2 2
0 2
2 2 2 2
1 1
0
Z Z Z Z
E E E E

n K E
z
    
   
    
   
(2.25)

n 

1
2
n a
n a


 
 
Phương trình (2.25) có thể giải bằng phương pháp phân ly biến số và thành
ph
ần E
2
sẽ có dạng sau:
       
2
, ,E z F Z z
   
 
với

 
 
2
2
2
0
d Z z
Z z
dz

 
;
 
 
2
2
2
0
d
m
d




  

(2.26)
và

2 2
2 2 2
0
2 2
1
0
d F dF m
n K F
d d

   
 
    
 
 
Từ (2.24), ta có:
 
exp .Z i z


với β là hằng số truyền dẫn

 
exp im

 
m - số nguyên và trường có chu kỳ ф
F(ρ)
=
   

   
m m
m m
Ay K A Y K a
CK C I a
  
  

  

  
(2.27)
A, A’, C, C’ là h
ằng số y
m
, Y
m
, K
m
, I
m
là các hàm Bessel
Các thông s
ố K và γ được xác đinh bằng biểu thức:

2 2 2 2
1 0
K n K

 

;
2 2 2 2
2 0
n K
 
 
(2.28)
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 20 -
Đưa đại lượng
0
n
K


gọi là chỉ số mốt (hoặc chỉ số hiệu dụng) chỉ ra rằng
mỗi mốt trong sợi quang sẽ truyền với một chỉ số hiệu dụng
n
, và
2
n
<
n
r
<
1
n
.
Khi
2

0n n

  
, các mốt truyền dẫn trong lớp bọc sẽ bị phân rã
theo quy lu
ật hàm mũ exponential.
T
ừ biểu thức (2.26) ta có:
 
1/ 2
2 2
0 1 2
K K n n 
khi

γ
= 0

(2.29)
Và điều kiện cut-off cho các mốt được xác định bằng:
 
1/ 2
2 2
0 1 2 1
2
2V K a n n an


 
   

 
 

(2.30)
V là thông s
ố chuẩn hoá (hoặc gọi là thông số V)
Hằng số truyền dẫn chuẩn hoá b được xác định như sau:

0 2 2
1 2 1 2
K n
n n
b
n n n n



 
 

(2.31)
S
ố mốt truyền trong sợi quang có thể tính đuợc thông qua thông số V.
Điều kiện đơn mốt xác định bằng
thông số V sao cho các mốt TE
01
và TM
01
đạt
đến điều kiện out

-off (γ=0).
Giải điều kiện này trong sợi quang ta có V ≤ 2,405 cho điều kiện truyền một
mốt.
Từ biểu thức
1
2
2V an


 
 
 
 
ta thấy bán kính sợi quang là một đại
lượng quan trọng trong điều kiện truyền đơn mốt. Sợi quang được thiết kế đơn
mốt với bước sóng cắt λ> 1,2μm cho vùng sóng 1,3 - 1,6μm. Lấy giá trị λ =
1,2μm, n
1
= 1,45 và Δ = 5.10
-3
, ta có V < 2,405 khi a < 3,2μm. Nếu a tăng lên
đến 4 μm thì Δ giảm xuống 3.10
-3
.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 21 -
2.3. Chiết suất mốt
Công thức tính chiết suất mốt và hằng số truyền dẫn chuẩn hoá b (V) sử dụng
trong thực nghiệm như sau:
   

2 1 2 2
1 )n n b n n n b     
và
 
2
(1,1428 0,9960 )b V V 
2.4. Hiệu ứng lưỡng chiết (Birefringence)
Do bán kính của sợi quang theo các trục X, Y không là hằng số dọc theo sợi
quang, do đó các mốt phân cực theo X, Y bị thay đổi v
à sinh ra hiệu ứng lưỡng
chiết khi ánh sáng truyền trong sợi quang. Độ lưỡng chiết được xác định bằng:
X Y
B n n 
. Hiệu ứng lưỡng chiết làm thay đổi tuần hoàn công suất quang
giữa các thành phần phân cực vuông góc trong sợi quang. Chu kỳ thay đổi công
suất gọi là độ dài phách (Beat length):

B
I
B


.
Thông thường B = 10
-7
, L
B
= 10m với λ = 1μm
Hi
ệu ứng lưõng chiết suất ảnh hưởng lớn đến hệ thống thông tin quang kết hợp,

trong đó bộ thu quang kết hợp phụ thuộc vào độ phân cực của tín hiệu thu.
2.5. Kích thước vệt sáng.
Nếu được phân bố theo quy luật Gauss, ta có:

 
2
X
2
exp exp .
W
E A i z


 
 
 
 

(2.32)
Trong đó W gọi là bán kính trường hay kích thước vệt sáng.
Công thức gần đúng tính kích thước vệt sáng W theo V khi 1,2 < V < 2,4 là:
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 22 -

3
6
2
W
0,65 1,619. 2,879.
a

V V


  

(2.33)
và tham s
ố giam giữ

2
2
2
1 exp
W
a
 
   
 
 
(2.34)
§3. Tán sắc trong sợi đơn mốt
Trong sợi đơn mốt tán sắc giữa các mốt gây ra do khác biệt quang trình của các
tia bằng 0. Tuy nhiên các thành phần phổ khác nhau trong mét xung quang sẽ có
tốc độ nhóm khác nhau, ta gọi là tán sắc tốc độ nhóm (GVD) hoặc tán sắc nội
mốt hay là tán sắc sợi. Tán sắc sợi bao gồm 2 thành phần: tán sắc vật liệu và tán
s
ắc dẫn sóng. Chúng ta sẽ xét trường hợp vận tốc nhóm tham gia vào tán sắc.
Ta có sợi quang đơn mốt có độ dài L. Thời gian để thành phần phổ có tần số ω
đi hết qu
ãng đường là L là:

g
L
t
v

trong đó v
g
là tốc độ nhóm xác định bằng biểu thức:
1
g
d
v
d



 

 
 
(2.35)
S
ử dụng

0
nK n
c



 

ta có

g
g
c
v
n

,
g
n
là chiết suất nhóm
g
dn
n n
d


 
 
 
 

(2.36)
v
g
phụ thuộc vào ω sẽ làm xung quang giãn nở. Δω là độ rộng phổ của xung
quang, ta có:

Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 23 -
2
2
2
g
dt d L d
t L L
d d v d

    
  
 
        
 
 
 

(2.37)
trong đó
2
2
2
d
d




gọi là thông số tán sắc tốc độ nhóm.

Trong một số tài liệu về thông tin quang Δω được thay thế bằng Δλ.
Sử dụng biểu thức:

2
2 2 .c c
 
  
 
 
     
 
 

ta có thể viết Δt dưới dạng:
. .
g
d L
t D L
d v
 

 
    
 
 
 
(2.38)
v
ới

2
2
1 2 .
g
d c
D
d v


 
 
  
 
 
 
(2.39)
D - thông s
ố tán sắc, có đơn vị là
 
.
ps
Km nm
Tốc độ bit B được xác định bởi bất đẳng thức B.Δt < 1, ta có:

BL D


<
1
(2.40)

D t
ại 1,3μm có giá trị ~1ps/km.nm. Với độ rộng phổ Δλ = 2 ÷ 4nm, BL ≈
100Gb/s-km. Trên thực tế đã có các hệ thống 1,3μm có tốc độ bit 2Gb/s có
khoảng cách truyền 40-50km hoạt động tốt. BL tăng lên đến 1Tb/s-km khi Δλ ≤
1nm.
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 24 -
Từ biểu thức (2.36):

2
2 2 2
2 . 1 2
2
g
c d dn d n
D
d v d d
 

    
 
 
    
 
 
 
 
 

(2.41)

ta có th
ể chia (2.38) thành 2 phần: D= D
M
+ D
W
D
M
- tán sắc vật liệu
:
2 2
2
2 1
g g
M
dn dn
D
d c d

  
  
D
W
- tán sắc dẫn sóng
:
   
2
2
2 2
W
2 2

2
.
2 .
g g
n dn
Vd V b d Vb
D
n dV d dV

  
 

    
 
 
n
2g
là chiết suất nhóm của lớp bọc sợi quang. Đại lượng Δ không phụ thuộc vào
t
ần số ω.
Trong s
ợi quang SiO
2
, D
M
được tính theo công thức thực nghiệm sau:
122 1
ZD
M
D



 
 
 
 
(2.42)
λ
ZD
= 1,276μm cho SiO
2
không pha tạp. λ
ZD
= 1,27÷1,29 cho sợi quang pha tạp
GeO
2
. Tán sắc dẫn sóng luôn có giá trị âm trong vùng bước sóng 0÷1,6μm.
Tổng của hai tán sắc này đã dịch λ
ZD
đến 1,31μm khi D = 0.
T
ại bước sóng 1,55μm: D ≈ 15÷18ps/km.nm
D
W
phụ thuộc vào các thông số của sợi quang a và Δ, do đó có thể chế tạo các
sợi quang có λ
ZD
= 0 tại λ = 1,55μm và sợi quang loại này gọi là sợi dịch tán sắc
(Dispersion Shìfted Fibers). Sợi quang có D rất nhỏ trong vùng từ 1,3 ÷ 1,6μm
gọi là sợi tán sắc phẳng (Dispersion Flattened Fibers) và sợi quang có D âm

trong vùng sóng này g
ọi là sợi bù tán sắc (Dispersion Compensating Fibers).
Giáo trình Quang - Điện tử & Thông tin quang PGS.TS. Phạm Văn Hội
- 25 -
Một số hiệu ứng tán sắc bậc cao và tán sắc mốt phân cực tồn tại trong sợi quang
nhưng ảnh hưởng của chúng không
lớn trong giá trị BL.
Các hiệu ứng Chirp của xung Gauss khi độ rộng xung theo thời gian nhỏ sẽ ảnh
hưởng đến băng tần v
à BER,
§4. Mất mát trong sợi quang
Hệ số suy hao trong sợi quang xác định bằng biểu thức:

dP
P
dz

 
(2.43)
P - công su
ất quang và α là hệ số suy hao quang.

 
exp
out in
P P L

 

(2.44)

Trong đó α = dB/km
10
10
log
out
in
P
dB
km L P

 
 
 
 
 
 
 
(2.45)
Bước sóng (µm)
-30
-20
10
0
10
20
30
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,71,6
D = D
W
+ D

M
D
M
D
W
Hình 2.3. Hệ số tán sắc vật liệu D
M
; tán sắc dẫn sóng và tán sắc tổng D
trong sợi quang thay đổi theo bước sóng