Nghiên cứu công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới th.s
Nguyễn Thanh Vân, là giáo viên hướng dẫn trực tiếp cho em, cô đã nhiệt tình
hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong quá trình làm đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong ngành điện tử viễn thông trường
Đại học Hàng Hải Việt Nam đã dạy dỗ, chỉ bảo tận tình cho chúng em có một nền
móng kiến thức chuyên ngành vững chắc cùng sự hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy
cô trong khoa Điện- Điện tử.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên và
giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 20 tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Vân

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ sợi quang mới
trong hệ thống thông tin quang” của em là thành quả của sự tìm hiểu, chắt lọc của
mình, không sao chép bất kỳ một công trình đồ án nào trước đây. Nếu sai với lời
cam đoan em xin hoàn toàn trách nhiệm và các hình thức kỷ luật của Khoa cũng
như nhà trường.

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................i

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................ii
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ....................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................vii
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ............. 2
1.1

Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang ........................................ 2

1.1.1.Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang ............................... 2
1.1.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin quang: ....................................... 3
1.1.3. Ứng dụng ................................................................................................ 5
1.2

Cấu trúc của hệ thống thông tin quang ................................................... 5

1.2.1. Cấu trúc cơ bản ....................................................................................... 5
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp (IM/DD) ...... 6
1.2.3. Hệ thống thông tin quang coherent ......................................................... 8
1.3

Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang................................ 10

1.3.1.Tham số điện quang ............................................................................... 10
1.3.2. Tham số quang ...................................................................................... 11
1.4. Các phần tử quang- điện trong hệ thống thông tin quang ...................... 11
1.4.1. Nguồn quang ......................................................................................... 11
1.4.2. Các phần tử tách sóng quang ................................................................ 13
CHƢƠNG II : SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG ................................................ 16

2.1

Sợi quang ................................................................................................. 16

2.1.1.Cấu trúc của sợi quang .......................................................................... 16
2.1.2.Nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang .................................................... 16
iii


2.1.3. Phân loại ............................................................................................... 18
2.1.4. Phương thức truyền lan trong sợi quang và các loại sợi quang điển hình
........................................................................................................................ 18
2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang ............................ 22
2.1.5.1 .Suy hao ............................................................................................... 22
2.1.5.2. Tán sắc ............................................................................................... 24
2.1.5.3. Các hiệu ứng phi tuyến ....................................................................... 27
2.2

Cáp quang ............................................................................................... 28

2.2.1. Cấu trúc của cáp quang ........................................................................ 28
2.2.2. Phân loại ............................................................................................... 28
2.2.3.Một số loại cáp quang điển hình ............................................................ 29
CHƢƠNG III: CÔNG NGHỆ SỢI QUANG MỚI TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG ........................................................................................ 32
3.1 Giới thiệu chung về công nghệ sợi quang mới. ......................................... 32
3.2 Khái quát về sợi quang tinh thể (PCFs) .................................................... 33
3.2.1. Sự ra đời của sợi quang tinh thể ............................................................ 33
3.2.2. Cấu trúc của sợi quang tinh thể ............................................................. 35
3.2.3. Cách thức truyền dẫn trong PCFs ......................................................... 35

3.2.4Phân loại và một số đặc tính cơ bản của sợi quang tinh thể .................... 36
3.2.5. Phương pháp chế tạo sợi quang tinh thể................................................ 37
3.2.6. Ứng dụng của sợi PCFs ........................................................................ 38
3.3 Một số sợi quang tinh thể điển hình ......................................................... 38
3.3.1. Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao ................................................. 38
3.3.2. Sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp..................................................... 43
3.3.3. Sợi với những tính chất đặc biệt ............................................................ 44
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 49

iv


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

KĐCS

Khuếch đại công suất

SQ

Sợi quang

KĐ

Khuếch đại

SM

Single mode -Sơi quang đơn mode

MM

Multiple

- Sợi quang đa mode

SI

Step index

- Chiết suất nhảy bậc

GI

Graded Index - Chiết suất biến đổi

PCFs

Photonic crystal fibers - Sợi quang tinh thể

GVD

Group velocity dispersion – Tán xạ vận tốc nhóm

v


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

So sánh giữa cáp quang và cáp đồng

4

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hình

Hình 1.1

Hình 1.2

Tên hình
cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang
Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực

Trang

5

7

tiếp

Hình 1.3

Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent

9

Hình 1.4

Cấu trúc của APD

14

Hình 2.1

Cấu trúc sợi quang

16

Sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng
17

Hình 2.2
Ánh sáng truyền trong sợi đơn mode

19

Hình 2.3
Ánh sáng truyền trong sợi MM - SI

20

Hình 2.4

Hình 2.5

Ánh sáng truyền trong sợi MM – GI

21

Hình 2.6

Sự suy hao hấp thụ của ion OH ( với nồng độ 10-6)

23

Hình 2.7

Suy hao do tán xạ

23

vii


Hình 2.8

Sự dãn rộng xung của ánh sáng

24

Hình 2.9

Tán sắc mod thay đổi theo chiết suất

25

Hình 2.10

Mặt cắt của cáp quang

28

Hình 2.11

Cáp băng dẹt

30

Hình 2.12

Cáp thả lỏng trong ống

30

Hình 2.13

Cáp treo

31

Hình 2.14

Cáp đặt trong nhà

31

Hình 3.1

Mặt cắt của sợi quang tinh thể ( PCFs )

35

Hình 3.2

Sợi PCFs lõi chiết suất cao với mạng lục giác

38

Đường tần số định mức 𝜦/𝝀của sợi PCFs có các tinh
Hình 3.3

thể quang mạng tam giác với d/ 𝜦 = 0.23

40

Suy hao do uốn cong sợi PCFs với mạng tinh
Hình 3.4

thể quang tam giác

42

Hình 3.5

sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp

43

Hình 3.6

Mặt cắt sợi PCFs lõi đôi mạng vuông

45

viii


Hinh 3.7

PCFs lưỡng chiết cao

46

Hình 3.8

Khái niệm về sợi Fresnel

48

ix


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống truyền dẫn thông tin quang là hệ thống thông tin đang được ứng
dụng rất nhiều trong lĩnh vực thông tin hiện nay, đặc biệt trong ngành điện tử viễn
thông. So với các hệ thống thông tin khác thì hệ thống thông tin quang với nhiều ưu
điểm hơn như : suy hao thấp, dải thông rộng, không chịu can nhiễu do sóng điện từ
hay các yếu khác của môi trường bên ngoài. Hệ thống thông tin quang có các ưu
điểm vượt trội như vậy bởi sợi quang chính là môi trường truyền dẫn của hệ thống
Ngày nay, cùng với sự phát triển cao của khoa học- công nghệ nên sợi quang
cũng được nghiên cứu để phát triển lên một thế hệ sợi quang mới có nhiều ưu điểm
vượt trội hơn nữa, để sợi quang sẽ là môi trường truyền dẫn lý tưởng nhất trong
lĩnh vực truyền dẫn thông tin.Vì vậy, trong đề tài tốt nghiệp của mình, em sẽ đi sâu
tìm hiểu về : „’Công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang”.
Đồ án tốt nghiệp của em gồm những nội dung như sau :
 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
 CHƢƠNG II: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
 CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ SỢI QUANG MỚI TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG

1


CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác.
Khoảng cách từ nguồn tin ( nơi sinh ra tin tức ) tới bộ nhận tin ( đích mà tin được
truyền tới) có thể gần, xa và rất xa. Thông tin được truyền đi nhờ các sóng điện từ
với các dải tần số khác nhau. Hệ thống thông tin quang đã sử dụng sợi quang để
truyền dẫn thông tin.Trong hệ thông thông tin quang thì thông tin cần truyền được
truyền ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của
phổ sóng điện từ.
1.1.1 Sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin quang
Trong lịch sử, con người đã biết sử dụng ánh sáng làm thông tin liên lạc như sử
dụng lửa hay pháo sáng để báo hiệu trong quân đội.
Năm 1790, một kỹ sư người Pháp đã sử dụng chuỗi các tháp được lắp đèn báo hiệu
và đây chính là một hệ thống điện báo quang.
Năm 1854, nhà vật lý người Anh đã thí nghiệm và đưa ra được rằng trong môi
trường điện môi là trong suốt thì ánh sáng có thể đi qua được.
Tiếp theo, một người Mỹ đã phát minh ra hệ thống thông tin bằng ánh sáng – hệ
thống photophone. Hệ thống này đã có thể mang tiếng nói đi, nhưng chất lượng
đường truyền kém do nguồn nhiễu quá lớn.
Năm 1934, hệ thống thông tin quang được sáng chế ra bởi một kỹ sư người
Mỹ.Thanh thủy tinh được dùng để truyền dẫn thông tin .
Đến năm 1950, phát triển lên sợi quang hai lớp mà ánh sáng có thể truyền bên
trong. Sợi này tiếp tục được phát triển thành Fibrescope uốn cong ( đây là thiết bị
có khả năng uốn cong hình ảnh từ đầu đến cuối sợi ). Cùng với sự phát triển mạnh
2


của kỹ thuật bán dẫn bên cạnh các transistor và vi mạch thì photodiode có độ nhạy
cao dùng trong các máy thu quang được chế tạo.
Năm 1958, người ta lại phát minh ra Laser, đến năm 1960 Laser được đưa vào hoạt
động thành công tạo nguồn phát quang có cường độ lớn và phổ đơn sắc. Dung
lượng hệ thống được tăng lên rất cao.

Tiếp sau đó người ta lại tiếp tục nghiên cứu để chế tạo được sợi quang có độ suy
hao nhỏ nhất. Ban đầu, suy hao sợi quang từ α ≈ 1000 dB/Km, đến năm 1970 một
xưởng thủy tinh ở Mỹ mới sản xuất được sợi SI có độ suy hao α < 20 dB/ Km với
bước sóng λ= 633 nm, rồi đến sợi GI với α ≈ 4 dB / Km
Hiện nay, suy hao của sợi quang đã giảm đi rất nhiều α ≤ 0.2 dB/ Km với bước
sóng λ = 1550 nm.Với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì những thế hệ sợi
quang mới sẽ có độ suy hao nhỏ hơn nữa sẽ tiếp tục ra đời.
Ở Việt Nam, các đường thông tin được sử dụng như tuyến cáp quang trên đường
dây 500KV Bắc - Nam đã đáp ứng nhu cầu thông tin cả về tốc độ và dung lượng.
1.1.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin quang:
Ƣu điểm:
 Suy hao thấp :Trong sợi quang suy hao trong quá trình truyền dẫn là tương
đối nhỏ nên cho phép khoảng cách lan truyền xa hơn.
 Dải thông rộng : Trong hệ thống thông tin sợi quang có băng thông rất rộng,
nên có thể truyền một khối lượng thông tin lớn đến hàng trăm GHz.km, với
cự ly xa hơn 100 km không cần trạm lặp, nó đáp ứng được đòi hỏi thông tin
trong tương lai.
 Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị tác động bởi môi trường bên ngoài
như máy móc công nghiệp hay không bị xuyên âm giữa các đường truyền,…

3


 Sợi quang làm bằng thủy tinh, chất điện môi nên có độ đàn hồi cao, bền vững
với môi trường, có thể dùng trong vùng phóng xạ, khu công nghiệp hóa
chất,…
 Tính bảo mật : Do sợi quang không bức xạ năng lượng điện từ nên rất khó có
thể trích được tín hiệu.
 Tính linh hoạt : Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin số liệu, thoại và video.

 Sợi quang có kích thước nhỏ gọn, tốn ít vật liệu,vật liệu chế tạo sẵn có,rẻ nên
giá thành sản xuất thấp và lắp đặt thuận tiện, vận chuyển dễ dàng.
Bảng 1.1: So sánh giữa cáp quang và cáp đồng

Đặc tính

Cáp đồng

Cáp quang
Sợi đa mode

Sợi đơn mode

Dải thông

100 MHz

1GHz

>100 GHz

Cự ly truyền dẫn

100m

2000m

40.000m

Xuyên kênh

có

Không

Trọng lượng

Nặng hơn

Nhẹ hơn

Kích thước

Lớn hơn

Nhỏ hơn

Nhƣợc điểm:
 Đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp
 Việc cấp nguồn cho trạm trung gian phải có đường riêng.

4


 Sợi quang dòn và dễ gãy,khó đấu nối,khósử dụng cho những trường hợp
riêng lẻ,…
1.1.3Ứng dụng
Hệ thống thông tin quang được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực viễn thông,
truyền hình hay các dịch vụ tổng hợp như: viễn thông đường dài, quốc tế, truyền
hình cáp;đường trung kế, truyền số liệu tốc độ cao hay đường cáp thả biển xuyên

quốc gia,….
1.1 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang
1.2.1 Cấu trúc cơ bản
Một hệ thống thông tin quang có cấu trúc cơ bản như sau :

Hình 1.1.cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang gồm ba thành phần cơ bản là phần phát quang,
môi trường truyền dẫn và phần thu quang.
Phần phát quang bao gồm nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển.
Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, có hai loại nguồn thường được
5


dùng là LED và LASER. Để biến đổi tín hiệu sao cho phù hợp để điều khiển
nguồn sáng theo tín hiệu mang tin người ta dùng bộ điều khiển( hoặc là bộ điều chế
ngoài hoặc là bộ kích thích).
Trong thông tin quang thì sợi quang chính là môi trường truyền dẫn, gồm có ba
loại chính là : sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và
sợi đa mode chiết suất biến đổi đều. Sợi quang nào được sử dụng sẽ phụ thuộc vào
từng hệ thống. Do bị tác động của sợi quang và các tác động quang học khác của
ánh sáng nên tín hiệu quang sẽ bị suy giảm .Để khắc phục tình trạng này cần có các
bộ khuếch đại tín hiệu quang và các trạm lặp trên tuyến truyền dẫn để tái tạo lại
các tín hiệu bị suy giảm trên đường truyền.
Phần thuquang có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu quang thu được trở về
dạng tín hiệu ban đầu. Phần thu bao gồm phần tử tách sóng quang ( thường sử dụng
các photodiode như PIN hoặc APD) và các mạch xử lý điện ( gồm các mạch
khuếch đai, lọc, mạch tái sinh).
Nguyên lý hoạt động: Tại phía phát tín hiệu thông tin cần truyền được
biến đổi thành tín hiệu điện và sauđó được đưa vào bộ phát quang. Bộ phát quang
sẽ điều chế quang các tín hiệu điện trở thành các tín hiệu quang. Có nhiều phương

pháp điều chế khác nhau (có thể điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng hoặc điều
chế gián tiếp). Tín hiệu sẽ được ghép vào trong sợi quang và sau đó truyền
đi.Trong quá trình truyền các tín hiệu bị suy giảm, các bộ khuếch đai quang cùng
với trạm lặp sẽ khôi phục, tái tạo lại các tín hiệu. Tín hiệu thu được sẽ được bộ thu
quang tiếp nhận và biến đổi thành tín hiệu điện như tín hiệu phát ban đầu. Tín hiệu
điện sẽ được xử lý thành tín hiệu thông tin cơ bản cần truyền.
1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp (IM/DD)

6


Ghép
kênh

Mã hóa

Kích
thích

O/E

Nguồn
quang

SQ

KĐ

E/O

sửa

KĐ san
bằng

Tách
sóng

SQ

Tách
đồng hồ

Tách
kênh

Giải mã

Quyết
định

Hình 1.2.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp
Trong hệ thống này luồng bit được đưa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang,
đầu thu tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp bằng các photodiode để lấy ra tín
hiệu điện băng gốc.
Các khối trong hệ thống bao gồm :
- Khối ghép kênh : là khối thực hiện ghép kênh tín hiệu theo phương pháp
điều chế xung mã PCM.
-

Khối mã hóa : Biến đổi mã tín hiệu thành mã đường dây phù hợp với môi
trường truyền dẫn sợi quang và thuận tiện cho khôi phục đồng hồ, giám sát,
nâng cao khả năng sửa lỗi của hệ thống.

-

Khối nguồn kích thích: Nguồn quang thường dung là LED và LASER.
 Trạm lặp : “ Do hiện tượng suy giảm và tán sắc tín hiệu trên đường
truyền nên cự ly truyền sóng bị hạn chế,nên trong hệ thống thông tin
đường dài cần phải có trạm lặp hoặc trạm khuếch đại trung gian.
7


Trong hệ thống thông tin quang IM/DD trạm lặp bao gồm ba khối cơ
bản như sau: Khối O/E biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện;
Khối khuếch đại, sửa dạng tín hiệu; Khối E/O biến đổi tín hiệu điện đã
được sửa dạng thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trong sợi
quang.”[1]
 Thiết bị đầu cuối:
- Bộ tách quang là các diode PIN hoặc APD, tại đây các xung quang được biến
đổi thành các xung điện. Khi hoạt động tách sóng các diode làm việc với
thiên áp ngược .
-

Khối khuếch đai san bằng làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu và san bằng để
nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở điểm quyết định.

- Khối quyết định, giải mã tín hiệu đưa về dạng tín hiệu số vơi sdangj mã
tương ứng ở đầu ra của thiết bị ghép kênh phía phát.
- Tín hiệu đồng hồ đồng bộ với phía phát để thực hiện tái sinh tín hiệu, giải mã

và tách kênh chính xác.
1.2.3 Hệ thống thông tin quang coherent
a.Khái quát về hệ thống thông tin quang coherent:
Hệthống thông tin quang coherent là hệ thống thông tin quang kết hợp. Trong hệ
thống này đã tận dụng được khả năng truyền dẫn của sợi quang, sự đổi tần quang
được sử dụng ở máy thu bằng cách trộn trường quang của bộ dao động nội với tín
hiệu quang thu được.Hệ thống thông tin quang coherent có những ưu điểm hơn so
với hệ thống thông tin quang IM/DD như sau:


Nâng cao độ nhạy máy thu: Trong hệ thống IM/DD ở băng tần cao độ nhạy
máy thu sẽ bị hạn chế, tần số càng cao thì độ nhạy máy thu càng giảm. Trong
hệ thống coherent có sử dụng phương pháp Homodyne hoặc Heterdyne cho
phép tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền trong các tuyến
8


thông tin đường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao. Độ
nhạy máy thu được nâng lên từ 15-20 dB so với thu trực tiếp.


Nâng cao khả năng truyền dẫn: Theo phương pháp ghép kênh theo tần số
FDM các hệ thống thông tin quang coherent có dung lượn truyền dẫn rất lớn.



Nâng cao khả năng lựa chọn kênh: Khả năng chọn lọc kênh ở phía thu dựa
trên nguồn thu có thể điều chỉnh được tín hiệu tới. Như vậy có thể lựa chọn
được kênh mong muốn trong nhiều kênh.



Kết hợp coherent với khuếch đại quang: Có thể tạo nên các tuyến thông tin
số có dung lượng đường truyền lớn và khoảng cách giữa hai trạm lặp được
tăng lên ( có thể đạt 10.000 km), khả năng này được ứng dụng trong các
tuyến trục và các tuyến cáp quang dưới biển.
Ngoài những ưu diểm trên thì hệ thống thông tin quang coherent lại có
những mặt hạn chế như: cấu trúc nguồn thu phức tạp dẫn đến sự đòi hỏi cao
về sự ổn định của Laser bán dẫn dùng làm nguồn phát dao động nội và
nguồn phát tín hiệu, yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, dòng nuôi, nhiễu
pha,… và giá thành cao.

b.Sơ đồ khối:

LD

Điều chế
ngoài
KĐCS

SQ

Trộn
quang

Lọc IF

D
TS

LD

Giải điều
chế

KĐ

AFC

Hình 1.3.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent
Hệ thống thông tin quang coherent gồm:
9

ra




Phần phát gồm laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu và bộ khuếch
đại công suất. Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mod có phổ
hẹp.



Bộ điều chế: Thực hiện theo hai phương pháp tương ứng với dạng
điều chế là bộ điều chế nội xạ của nguồn laser và bộ kích thích điều
chế trường quang đã phát ra từ nguồn laser bằng các thiết bị thích
hợp như: ASK, PSK hoặc BBSK.



Phần thu có cấu tạo phức tạp nhất, nó bao gồm bộ trộn quang,
laser dao động nội, một photodiode, một bộ tiền khuếch đại, một bộ
giả điều chế, bộ tự động điều chỉnh tần số. Bộ trộn quang là một
mạng 4 cổng như bộ ghép định hướng siêu cao tần, hai trường
quang ở các cổng được trộn vào nhau và cộng tuyến tính ở hai cổng
ra của bộ trộn.

1.3 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang
1.3.1 Thamsố điện quang
 “Tỷsố tín hiệu điện trên nhiễu và tỷ số sóng mang trên nhiễu được đo và
xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là tỷ số của điện
áp, dòng điện hoặc công suất điện.
Tham số tỷ số lỗi bit (BER) của hệ thống truyền dẫn số luôn được đo ở
sau bộ tách sóng tương ứng với tham số điện S/N.” [1]
 “Độrộng băng tần điện (BW)elà khoảng tần số trong đó đáp ứng của tín
hiệu như hệ số khuếch đại điện, các tỷ số dòng điện hay điện áp nằm
trong giới hạn xác định.” [1]
 “Tỷ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo và xác định ở cổng
quang của hệ thống tương ứng chính là tỷ số công suất tín hiệu quang
trung bình thu được trên Pr trên công suất nhiễu quang tương đương.”[1]
10




“Độ rộng băng tần quang (BW)olà khoảng tần số mà tại đó các mức công
suất quang nằm trong giới hạn xác định. Thường người ta sử dụng độ
rộng băng tần quang ở mức 3 dB là dải tần số điều chế ở đó công suất
quang giảm đến 0.5 giá trị so với giá trị tần số bằng không.” [1]

1.3.2 Tham số quang
 Công suất yêu cầu tối thiểu của nguồn quang
 Độ tổn hao
 Độ rộng băng tần của tuyến
1.4 Các phần tử quang- điện trong hệ thống thông tin quang
1.4.1 Nguồn quang
Nguồn quang thường dùng là diode LED và diode LASER .
a. Diode LED
 Cấu trúc: Led thường có hai loại cấu trúc là cấu trúc tiếp giáp
thuần nhất và cấu trúc và cấu trúc tiếp giáp dị thể, trong đó trúc dị
thể kép có hiệu quả và được ứng dụng nhiều hơn. . Người ta
thường chế tạo lớp PN là hỗn hợp của các nguyên tố nhóm III và
V để tạo ra cấu trúc dị thể kép.
 Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự phân cực thuận cho tiếp giáp P–
N. Khi phân cực thuận cho tiếp giáp thì sẽ xảy ra hiện tượng tái
hợp giữa cặp điện tử và lỗ trống, đồng thời phát xạ ra photon. Tuy
nhiên không phải mọi sự tái hợp đều phát xạ ra photon mà còn có
thể phát sinh nhiệt. Với cấu trúc dị thể kép, khi đó vùng tiếp giáp
được gọi là vùng tích cực có chiết suất lớn nhất, còn các lớp lân
cận có tác dụng giam giữ điện tử trong vùng tích cực.
 Phân loại: Có 2 loại là Led bức xạ mặt và Led bức xạ cạnh.

11


b. Diode Laser
Diode laser phun bán dẫn là nguồn phát quang dùng chủ yếu trong các hệ
thống thông tin quang sợi có độ rộng dải tần lớn hơn 200 MHz và trong các hệ
thống thông tin quang sợi đường dài, có tốc độ lớn. So với LED, Diode laser phun

có ưu điểm là: Công suất ghép vào sợi lớn hơn nhiều, độ rộng đường phổ hẹp, phản
ứng thời gian nhanh và độ rộng điều chế lớn. Tuy nhiên cấu tạo của nó phức tạp,
cần phải ổn định nhiệt cao.
Nguyên lý hoạt động:Dựa trên sự bức xạ ánh sáng cưỡng bức trong vùng
hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép bán dẫn. Khi cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép
của nó đặt dưới thiên áp thuận, điện tử từ vùng N và lỗ trống từ vùng P phun vào
vùng hoạt tính và chúng bị giam lại.Sự tái hợp bức xạ tự phát xảy ra trong vùng
hoạt tính. Ánh sáng bức xạ bị giam trong vùng hoạt tính sẽ phát đi mọi hướng.
Những photon bức xạ truyền dọc theo trục của vùng hoạt tính đi đến bề mặt phân
cách giữa laser và không khí sẽ bị phản xạ tại đây và truyền dọc vùng hoạt tính
nhiều lần. Những photon này đập vào các nguyên tử vùng hoạt tính ở trạng thái
kích thích làm cho chúng phát ra ánh sáng cưỡng bức có cùng tần số với ánh sáng
đập vào. Khi dòng bơm nhỏ hơn giá trị dòng ngưỡng thì các ánh sáng bức xạ cưỡng
bức phát ra trong vùng hoạt tính bị hấp thụ hết trong nó, nên ánh sáng của laser
phát ra ngoài là ánh sáng bức xạ tự phát tương tự như LED. Khi dòng phun tăng
vượt giá trị dòng ngưỡng, trong vùng hoạt tính xảy ra trạng thái “đảo mật độ”. Sự
bức xạ cưỡng bức chiếm ưu thế so với sự bức xạ trong vùng này. Vùng hoạt tính
của nó trở thành môi trường khuếch đại đối với ánh sáng bức xạ cưỡng bức khi
chúng truyền và phản xạ nhiều lần tại các mặt cuối của laser gọi là các mặt gương.
Không gian vùng hoạt tính giữa hai gương tạo một hộp cộng hưởng. Khi chiều dài
của hộp cộng hưởng này đạt được điều kiện cộng hưởng thì trong diode laser xảy ra

12


quá trình dao động và ánh sáng bức xạ cưỡng bức được khuếch đại lớn hơn bị tổn
hao trong hộp cộng hưởng rồi được phát ra ngoài qua một gương của diode laser.
Phân loại: có 2 loại dioed Laser là Laser Fabry – Perot và Laser đơn mode, trong
đó laser đơn mode lại được chia thành 2 loại chính là Lase phản hồi phân bố (DFB)
và Lase đơn mode cộng hưởng liên kết.

1.4.2 Các phần tử tách sóng quang
Phần tử tách sóng quang thường dùng là diode PIN và diode thác APD.
a. Diode PIN
 Cấu trúc: Diode PIN được cấu tạo từ chất bán dẫn, có 3 vùng là
vùng bán dẫn N,vùng bán dẫn P và vùng bán bán dẫn tinh khiết I
nằm giữa 2 vùng P và N.
“ Có dải từ 1,3 ÷1,5 m với các lớp bán dẫn, thiên áp ngược đặt vào
diode PIN cùng trở tải và phân bố điện trường bên trong diode
PIN.” [2]
 Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi chiếu một
photon có năng lượng lớn hơn vào vùng cấm vào bề mặt bán dẫn
của photodiode thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một
photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để
lại trong vùng hóa trị một lỗ trống, lúc này photon đã tạo ra một
cặp điện tử - lỗ trống . Cặp điện tử lỗ trống được sinh ra trong vùng
nghèo, khi có điện trường đặt vào thì các điện tích sẽ được chuyển
rời về hai cực, tạo ra dòng ở mạch ngoài ( dòng quang điện).
 Đặc điểm: Vùng I có điện trở cao, có thể thay đổi trong quá trình
chế tạo,hầu hết vùng nghèo là I. Thành phần dòng quang điện
chiếm ưu thế hơn so với dòng khuếch tán. Để đạt được hiệu suất
lượng tử cùng với độ nhạy cao có thể chọn độ rộng vùng I lớn.
13


b. Diode thác APD
Diode APD hoạt động theo chế độ thác lũ.
 Cấu tạo:Gồm các miền bán dẫn P+, I(𝜋), P, N+. Trong đó P+,
N+ là các vùng có nồng độ pha tạp cao. Các lớp PN có cấu trúc
dị thể kép.

Hình 1.4. Cấu trúc của APD
 Nguyên lý hoạt động: APD cũng hoạt động dựa trên hiện tượng
hấp thụ như các photodiode khác để tạo ra các cặp điện tử - lỗ
trống và theonguyên lý khuếch đại dòng.
Khi chưa có ánh sáng chiếu vào trong APD tồn tại dòng
ngược rất nhỏ là dòng quang tối I(t), tuy nhiên dòng quang tối
này có giá trị lớn hơn dòng quang tối trong PIN. Khi chiếu ánh
sáng có năng lượng hf vào trong APD thì toàn bộ ánh sáng sẽ
được hấp thụ bởi miền I. Dưới tác dụng của ánh sáng sẽ tạo ra
các hạt mang điện và do cấu tạo của APD các hạt này sẽ di
chuyển chủ yếu về miền N+. Các hạt dẫn này được gia tốc bởi
bởi điện trường phân cực ngược mạnh giữa P và N+ nên xảy ra
14


hiệu ứng quang thác ( đánh thủng thác lũ ) ở tiếp giáp PN+, tạo
nên dòng điện mạch ngoài có giá trị rất lớn. Đặc trưng cho khả
năng tạo nên dòng điện mạch ngoài có giá trị lớn người ta đưa
ra hệ số nhân : M =

𝐼𝑝𝑡𝑏
𝐼𝑡

 Đặc điểm: APD cũng có đặc trưng như một photodiode. Sự ion
hóa do va chạm của các cặp điện tử - lỗ trống sơ cấp sinh ra
trong vùng nghèo khi hấp thụ ánh sáng với mạng tinh thể trong
vùng nhân thác để tạo các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp đã xảy
ra hiệu ứng nhân thác, do đó dòng quang điện được tăng cường
rất lớn.

15


CHƢƠNG II : SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Sợi quang
2.1.1 Cấu trúc của sợi quang
Để ánh sáng truyền được trong sợi quang thì sợi quang có thể coi như một ống
dẫn sóng, như vậy ánh sáng có thể truyền dọc theo trục của sợi. Yêu cầu của sợi
quang là phải trong suốt đối với dải tần số làm việc, do đó sợi quang thường được
chế tạo bằng thủy tinh thạch anh có chiết suất n = 1.5 hoặc bằng chất dẻo có độ tổn
hao bé.

Vỏ sợi

Lõi sợi

Lớp vỏ bảo vệ

Hình 2.1. Cấu trúc sợi quang
Sợi quang gồm hai lớp điện môi, với 𝑛1 là chiết suất của lõi sợi và 𝑛2 là chiết
suất của vỏ, trong đó n1> n2 . Sợi quang có kích thước rất nhỏ. Lõi sợi thường có
đường kính khoảng từ 10 ÷ 50 𝜇𝑚 , còn vỏ có đường kính là 125𝜇𝑚 . Để bảo vệ
sợi quang, tránh những tác động cơ học lên sợi người ta bọc thêm một lớp chất dẻo
bên ngoài, thường là polyme.
2.1.2 Nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang
 Cơ sở quang học
Khi ánh sáng truyền từ môi trường một có chiết suất n1 sang môi trường hai có
chiết suất n2 mà gặp phải mặt ngăn cách thì ánh sáng sẽ bị tách ra làm hai phần
khác nhau, một tia phản xạ lại môi trường một, một tia khác sẽ khúc xạ sang môi
trường hai.

16