Đồ án tổng quang hệ thống thông tin quang

Mục lục

Mục lục
CHƯƠNG 1...................................................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chương ................................................................................................ 3
1.2. Tổng quan............................................................................................................ 3
1.2.1.

Lịch sử phát triển ....................................................................................... 3

1.2.2.

Khái quát cơ bản về hệ thống thông tin quang............................................ 4

1.3. Khái quát hệ thống thông tin quang WDM........................................................... 8
1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang .................................................... 10
1.4.1.

Ưu điểm ................................................................................................... 10

1.4.2.

Nhược điểm ............................................................................................. 10

1.5. Kết luận chương .................................................................................................. 11
2.1. Giới thiệu chương ................................................................................................ 12
2.2. Cấu trúc hệ thống ................................................................................................. 12
2.3. Bộ phát quang ...................................................................................................... 12
2.3.1. Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode ) ........................................... 13
2.3.2. LD ( Laser diode) .......................................................................................... 15
2.3.3. So sánh LED và LD ...................................................................................... 16

2.4. Bộ thu quang ........................................................................................................ 17
2.4.1. Nguyên lý thu quang ..................................................................................... 18
2.4.2. Diode thu quang PIN ..................................................................................... 19
2.4.3. Diode thu quang APD ................................................................................... 20
2.4.4. So sánh diode thu quang PIN và APD ........................................................... 20
2.4.5. Nhiễu trong máy thu quang ........................................................................... 21
2.5. Cáp sợi quang ...................................................................................................... 21
2.5.1. Nguyên lý truyền dẫn sợi quang .................................................................... 22
2.5.2. Sợi quang và cáp quang ................................................................................. 25
2.6. Bộ khuếch đại quang ............................................................................................ 26
2.7. Các giá trị tham số của các thành phần ................................................................. 29
2.8. Kết luận chương ................................................................................................... 30
SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 1


Mục lục

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 2


Tổng quan hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1. Giới thiệu chương
Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới

viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng tăng, hệ thống truyền dẫn cần
phải phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống. Do vậy, để hiểu rõ về hệ thống thông
tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống; sơ đồ
nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bước sóng và các thành phần cơ
bản; những ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang.
1.2. Tổng quan
1.2.1. Lịch sử phát triển
Thông tin xuất hiện trong đời sống xã hội loài người từ rất là sớm, để trao đổi
thông tin cho nhau con người đã biết sử dụng hình ảnh để liên lạc. Chẳng hạn từ thời cổ
đại, người ta sử dụng khói để làm tín hiệu hay lửa để phản chiếu ánh sáng để truyền
thông tin cho nhau và đây có thể là thông tin truyền bằng ánh sánh sớm nhất. Qua thời
gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, phát triển của xã hội, thì nhu cầu trao
đổi thông tin của con người càng đòi hỏi chất lượng thông tin ngày càng cao, giúp cho
mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Thông
tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà
thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống
thông tin chung, các hệ thống thông tin ra đời sau đều kế thừa các hệ thống trước, nó
được cải tiến và hoàn thiện hơn các hệ thống trước, có cự ly truyền dẫn xa hơn, tốc độ cao
hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu sử
dụng của con người. Chẳng hạn, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên, năm 1940 hệ thống cáp
đồng trục đầu tiên được đưa vào sử dụng có băng tần 3MHz để truyền dung lượng 300
kênh thoại hoặc 1 kênh truyền hình. Băng thông của hệ thống bị giới hạn bởi tổn hao
cáp. Các hệ thông sau đó có băng tần lên đến 10MHz, nhưng hệ thống cáp đồng
trục cũng bị giới hạn suy hao phụ thuộc vào tần số. giới hạn này cũng được giải quyết
bằng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền
SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 3

Tổng quan hệ thống thông tin quang
dẫn, tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác có dạng hình
sin đó là sóng mang trước khi đưa vào đường truyền.

Hình 1.1. Sự phát triển băng thông hệ thống thông tin sợi quang qua các giai đoạn
Như vào năm 1977 đi vào giai đoạn thử nghiệm hệ thống khi sử dụng quang sợi
làm việc với bước sóng 800nm. Cho đến đầu thập kỹ 1980, các thiết bị ghép bước sóng
quang đã được phân bố và sử dụng rộng rãi. Trong dạng đơn giản nhất thì WDM được sử
dụng để phát đi 2 kênh khác nhau nằm trong hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau của sợi
quang, với dung lượng hệ thống đạt 45Mb/s đến 100Mb/s. Trong thời gian này,
người ta tập trung vào việc giảm khoảng cách kênh và các hệ thống đa kênh có khoảng
cách kênh nhỏ hơn 0,1nm. Bắt đầu năm 1990 kỹ thuật ghép kênh được nhiều
bước sóng trong một vùng cửa sổ được thực hiện hiệu quả, tiêu biểu cho vùng
cửa sổ 1550nm, dung lượng hệ thống đạt lên 40Gb/s. Đến năm 2001, người ta đã triển
khai nhiều hệ thống vượt biển tốc độ cao, có hệ thống đạt 100Gb/s.
1.2.2. Khái quát cơ bản về hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 4


Tổng quan hệ thống thông tin quang
1.2.2.1.

Sơ đồ khối

Hình 1.2. Cấu hình của một hệ thống thông tin quang
Hình biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang. Nói chung, tín
hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối được đưa đến bộ E/O để chuyển

thành tín hiệu quang, sau đó đưa vào cáp quang. Khi truyền qua sợi quang, công suất tín
hiệu (ánh sáng) bị yếu dần và dạng sóng bị rộng ra. Khi truyền tới đầu bên kia sợi quang,
tín hiệu này được đưa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng như
ban đầu mà thiết bị đã gởi đi. Như vậy cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang
được mô tả đơn giản như hình 1.3 gồm :
 Bộ phát quang
 Bộ thu quang
 Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 5


Tổng quan hệ thống thông tin quang
Hình 1.3. cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang
Hình trên minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo 1 hướng.

Hình 1.4. Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo 2 hướng
Như vậy để thực hiện truyền dẫn giữ hai điểm cần có 2 sợi quang.
Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (repeater)

Hình 1.5. Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang
1.2.2.2.

Nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

Thông thường thì tên gọi của một hệ thống thông tin gắn liền với môi trường
truyền dẫn. Vì vậy mà đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi trường truyền dẫn
chính là cáp sợi quang. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như hình

dưới.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 6


Tổng quan hệ thống thông tin quang
Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu
quang. Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi dẫn quang để
truyền đến phía thu. Ở phía thu thực hiện ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín
hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang-điện (O/E).
Hệ thống thông sợi tin quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn phụ
thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km). Hệ
thống dài thường là các tuyến đường trục trên mặt đất có dung lượng lớn nối giữa các
thành phố, các quốc gia hoặc các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương. Hệ
thống ngắn thường là các tuyến và các vòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp hơn
và khoảng cách dưới 10 km. Để đáp ứng với các loại hình thông tin số đa dạng, tốc độ
cao, nhiều thuê bao như hiện nay và trong tương lai, các hệ thống này cũng thực hiện các
kỹ thuật ghép kênh và khuếch đại quang như hệ thống đường trục.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 7


Tổng quan hệ thống thông tin quang
Hình 1.7. Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều
khiển liên kết nhau, bao gồm các phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát quang. Nguồn
phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc LD, các loại này tạo ra tín hiệu quang ra
tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến vào. Tuy nhiên LED phù hợp với hệ thống
có cự li ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành cho các hệ thống có khoảng cách
truyền dẫn dài và dung lượng cao. Tín hiệu điện ở đầu vào ở dạng số hoặc tương tự, thiết
bị phát sẽ biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng.
Các trạm lặp hoặc các khuếch đại quang: Khi hệ thống cần truyền tải thông tin với
khoảng cách lớn do đó suy hao truyền dẫn giữa nguồn phát và nguồn thu lớn. Do đó cần
phải lắp đặt thêm các trạm khuếch đại để bù lại suy hao đó sao cho máy thu có đủ công
suất cần thiết để tín hiệu thu được đảm bảo được yêu cầu lỗi bít BER cho trước.
Hiện nay, hầu hết các trạm lặp đều được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang do nó
cồng kềnh, cần hệ thống cung cấp nguồn phức tạp, băng thông quang bị hạn chế và phải
thực hiện chuyển đổi quang-điện, điện quang.
Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, các mạch khuếch đại, điều khiển
giải mã. Các bộ tách quang thường được sử dụng là Photodiode PIN hoặc diode thác
quang ADP, cả hai loại đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh.Ngoài
ra còn nhiều thành phần tạo nên hệ thống truyền dẫn hiệu quả, chẳng hạn các bộ xen rẽ
kênh, bộ chia quang, bộ nối quang...
1.3.

Khái quát hệ thống thông tin quang WDM
Trong những năm gần đây,để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao thì kỹ

thuật ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) đã ra đời,đây là một phương thức truyền
nhiều bước sóng trong cùng một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một
bước sóng và cũng không cần tăng thêm sợi dẫn quang nên làm tăng đáng kể băng thông
mạng quang.
Nguyên lý là mỗi máy phát tín hiệu trên mỗi bước sóng xác định,nhiều tín hiệu sau đó
được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang.Chúng được truyền đi trên sợi đó đến

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 8


Tổng quan hệ thống thông tin quang
nơi thu,qua bộ DEMUX tách bước sóng ra và lần lượt được thu bởi các máy thu riêng
biệt.
 Phương thức truyền dẫn WDM theo một hướng:
Hình 1.8 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn hướng.
Kênh 1

Kênh 1
Phát λ1

Kênh 2

Phát λ2

Thu λ1
Thiết bị
WDM
(MUX)

Kênh n

Thiết bị
WDM

Sợi quang

λ1 ,λ2,…,λn

Kênh 2

Thu λ2

(DEMUX)

Kênh n
Phát λn

Thu λn
Hình 1.8.Hệ thống WDM đơn hướng

Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép với nhau tại một đầu bởi bộ MUX-WDM
rồi truyền trong một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu này được giải ghép bởi bộ DEMUXWDM rồi chuyển đến các bộ tách sóng quang để thu các bước sóng tương ứng.
 Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng:
Hình 1.9 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song hướng.

Kênh vào
Phát λ1,...,
Thiết bị
WDM

Kênh ra
Thu λk+1,..,

Kênh ra

λ1,..., λk

(MUX-DEMUX)

Sợi quang
λk+1,..,

Thu λ1,...,
Thiết bị
WDM
(MUX-DEMUX)

Phát λk+1,..,Kênh vào

Hình 1.9.Hệ thống WDM song hướng

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 9


Tổng quan hệ thống thông tin quang
Các tín hiệu λ1,..., λk được ghép với nhau tại một đầu rồi chuyền trong sợi quang và được
thu tại đầu bên kia. Đồng thời, các tín hiệu λk+1,.., λn được phát ở đầu bên kia và thu ở
đầu này. Các bước sóng giữa hai hướng truyền không được trùng nhau.

1.4.

Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

1.4.1. Ưu điểm

- Dung lượng cực lớn: Cáp quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất
nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến. Băng thông gấp khoảng 10000 lần so
với thông tin vi ba.
- Tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2dB/km, so với cáp
đồng trục: 10 – 300dB/km
- Khoảng cách truyền dẫn lớn: Kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ khuếch
đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhạy thu cao
của các máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn.
- Tốc độ cao, hiệu suất lớn: Các linh kiện thu và phát quang có khả năng điều chế
tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao.
- Khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: Thông tin sợi quang
cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có các bước sóng khác nhau. Đặc tính này
cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn.
- Cách điện tốt và chống can nhiễu tốt: Sợi quang được chế tạo bằng thuỷ tinh là
chất cách điện do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường.
- Có tính bảo mật cao: Bởi vì tín hiệu được truyền trong sợi quang và không một
bức xạ ánh sáng nào có thể lọt ra ngoài.
- Nguyên liệu thô sẵn có: Thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang,
nguyên liệu này có sẵn và rất rẽ vì nó có trong cát thường.
1.4.2. Nhược điểm
- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối với
sợi quang khó khăn.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 10


Tổng quan hệ thống thông tin quang
- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao. Các khớp

của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên nhân gây ra
suy hao.
- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.
1.5. Kết luận chương
Toàn bộ chương cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang. Qua đó
giúp ta hiểu rõ được tổng thể về hệ thống đó và những ưu thế nổi bật mà các hệ thống
khác không có được về đặc tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, để đánh giá sự
thành công của một hệ thống không thể không nói đến vai trò của sợi quang và cáp quang,
về nguồn phát quang và nhận tín hiệu thu quang, đồng thời đi sau vào thành phần chính
trong hệ thống, vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể ở chương sau.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 11


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
2.1. Giới thiệu chương
Sau khi đã có cái nhìn về hệ thống thông tin quang qua tìm hiểu ở chương trước.
Trong chương này, đồ án tiếp tục đi tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin sợi
quang. Cụ thể sẽ tìm hiểu về bộ phát quang; sợi quang; suy hao trên sợi quang; tìm hiểu
về bộ thu quang và tìm hiểu về vai trò bộ khuếch đại quang trong hệ thống.
2.2. Cấu trúc hệ thống
Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm những bộ phận :
 Bộ phát quang
 Sợi quang
 Bộ khuếch đại quang

 Bộ thu quang

Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang
2.3. Bộ phát quang
Bộ phát quang đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang để
đưa vào sợi và truyền đến máy thu quang. Thành phần chính của máy thu quang là nguồn
quang. LED và Leser diode là các nguồn quang bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 12


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
thông tin sợi quang nhờ kích thướt nhỏ, độ tin cậy và hiệu suất cao, vùng phát xạ nhỏ
tương thích với kích thước lõi sợi, có khả năng đều chế trực tiếp tại các tần số cao.
2.3.1. Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode )
Các đặc tính kỹ thuật của LED phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chúng. Ngoài
ra, theo đà phát triển của công nghệ bán dẫn, chất lượng của LED ngày càng nâng cao
hơn.
Công suất ra đối với sợi SM (250C, dòng điều khiển 150
mA)

2 đến 10mW

Thời gian lên xuống

3ns max

Độ rổng phổ nửa công suất

80 đến 100nm

Hiệu số nhiệt độ công suất đầu ra

1,2% 0C

Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ

0,5 đến 0,8nm/0C

Độ dãn phổ

0,4 nm/0C

Bảng 2.1. Đặc tính tiêu biểu của LED
 Thông số điện
 Dòng điện hoạt động biểu: từ 50mA đến 300mA
 Điện áp sụt trên LED: từ 1,5V – 2,5V
 Công suất phát
Là công suất tổng cộng do nguồn quang phát ra. Công suất phát của LED từ
1-3mW. Đối với loại phát quang cao công suất phát có thể lên đến 10mW. Các
LED phát xạ mặt công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa
 Góc phát quang
Công suất phát quang do nguồn phát quang phát ra cực đại ở trục phát quang và
giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang được xác định ở mức công suất
phát quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại. LED tiếp xúc mặt có góc phát
quang lớn hơn LED phát xạ rìa.
SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 13


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
 Hiệu suất ghép quang
Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với
công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang. Hiệu số ghép quang phụ thuộc
vào kích thước vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc mở số của sợi
quang và vị trí đặt nguồn quang và sợi quang. Hiệu suất ghép của LED tiếp xúc
mặt khoảng 1-5% và LED phát xạ rìa 5-15%. Từ đó, ta có công suất phát xạ của
LED phát xạ rìa lớn hoen LED tiếp xúc mặt thường khoảng 2 lần
 Độ rộng phổ
Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai
phía. Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ
hơn phân nửa mức công suất đỉnh. Thông thường LED có độ rộng phổ trong
khoảng 35-100nm

Hình 2.2. Độ rộng phổ của LED
 Thời gian chuyển lên
Là khoảng thời gian để công suất tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổn định khi
có xung dòng điện kích thích nguồn quang. Thời gian chuyển của nguồn quang có
ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế, muốn điều chế ở tốc độ càng cao
thì nguồn quang phải có thời chuyển càng nhanh. Dải thông tối đa của tín hiệu điều
chế phụ thuộc vào thời gian chuyển.
 Ảnh hưởng của nhiệt độ

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 14

Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát giảm, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng
bởi nhiệt độ của LED không cao.
 Ở bước sóng 850nm: độ ảnh hưởng là -1%/0C
 Ở bước sóng 1300 và 1550nm: -2% đến -4%/0C
2.3.2. LD ( Laser diode)
Laser diode ( Light Amplificaltion by Stimulate Emission of Radiation). Có cấu
trúc tương tự như cấu trúc của diode phát xạ cạnh. Tuy nhiên, bằng cách thêm vào cấu
trúc giảm photon theo chiều ngang nên ánh sáng phát ra là ánh sáng kết hợp.
 Thông số điện
 Dòng điện ngưỡng:khi dòng điện kích thích cho LASER có trị số nhỏ,
LASER hoạt động ở chế độ tự phát nên công suất phát rất thấp. Khi được
kích thích với dòng điện lớn, LASER hoạt động ở chế độ kích thích, công
suất quang tăng nhanh theo dòng kích thích. Dòng ngưỡng của LASER thay
đổi theo nhiệt độ, nhưng LASER đời mới dòng ngưỡng chỉ trong khoảng
10mA – 20mA
 Dòng điện kích thích: vài chục đến vài tram mA tùy theo loại
 Điện áp sụt trên LASER: từ 1,5V đến 2,5V
 Công suất phát
Từ khoảng 1-10mW, đối với LASER sản xuất sau này có thể đến 50mW hay hơn
nửa
 Góc phát sáng
Góc phát sáng quang của LASER theo phương ngang của lớp tích cực chỉ trong
khoảng 50 – 100, còn theo phương vuông góc với lớp tích cực thì góc phát có thể
lên đến 400. Như vậy mặt bao của góc phát không phải là mặt nón tròn xoay mà là
mặt nón hình elip
 Hiệu suất ghép
LASER có vùng phát ánh sáng nhỏ, góc phát sáng hẹp nen có hiệu suất ghép ánh
sáng vào sợi quang cao

Trung bình hiệu suất ghép của LASER trong khoảng:
SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 15


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
 30%-50% đối với sợi đơn mode SM
 60% - 90% đối với sợi đa mode MM
Để tăng hiệu suất ghép, người ta có thể tạo them các chi tiết phụ giưa nguồn và
sợi quang như đặt them thấu kính giữa nguồn quang và sợi quang, tạo cho đầu
sợi quang có dạng mặt cầu…
 Độ rộng phổ
Dạng phổ phát xạ của LASER là tổng hợp đặc tuyến khuếch đại (do bề rộng khe
năng lượng thay đổi) và đặc tuyến chọn lọn của hốc cộng hưởng quang. So với
LED thì phổ phát xạ của LASER rất hẹp, trong khoảng từ 1 đến 4nm. Dạng phổ
gồm nhiều vạch rời rạc nên được coi là phổ của LASER đa mode. Người ta có
khuynh hướng chế tạo LASER có phổ ngày càng hẹp để giảm tán sắc chất lượng
khi sử dụng bước sóng 1500nm và trong tương lai có thể sử dụng kỹ thuật tiên tiến
và hiện đại hơn
 Thời gian chuyển lên
Là thời gian để công suất quang tăng từ 10% - 90% mức công suất xác lập của
LASER rất nhanh,thông thường không quá 1ns
 Ảnh hưởng nhiệt độ
Khi nhiệt độ thay đổi, dòng ngưỡng của LASER thay đổi, do đó công suất phát ra
cũng thay đổi nếu giữ nguyên dòng điện kích thích. Khi nhiệt độ tăng thì dòng
ngưỡng cũng tăng theo dạng hàm mũ của sự gia tăng nhiệt. Trung bình độ gia tăng
dòng ngưỡng vào khoảng +1%. Ngoài ra, khi nhiệt độ thay đổi thì công suất phát
ra cũng thay đổi, nhưng mức độ ảnh hưởng rất thấp.
2.3.3. So sánh LED và LD

Loại
Các thông số

LED

LD

Dòng ngưỡng

30mA – 300mA

10mA – 20mA

1,5 – 2,5V

1,5- 2,5V

Điện áp sụt

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 16


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
Công suất phát

1mW – 10mW

1mW – 50mW

Góc phát quang

Tiếp xúc mặt 1200

5 - 100

Tiếp xúc mặt 1-5%

Sợi đơn mode 30-50%

Phát xạ rìa 5-15%

Sợi đa mode 60-90%

35-100nm

1-4nm

Tốt

Tốt

Chậm

Nhanh 1ns

Ít

Nhiều

Giá thành

Thấp

Cao

Sản xuất

Dễ

Khó

Tự nhiên

Kích thích

Tốc độ thấp,truyền dẫn gần

Tốc độ cao, truyển dẫn xa

Hiệu suất ghép quang
Độ rộng phổ
Tuyến tính
Thời gian chuyển
ảnh hưởng nhiệt độ

Nguyên lý phát xạ
ứng dụng

Bảng 2.2. Bảng so sánh các thông số của LED và LD
2.4. Bộ thu quang
Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó có nhiệm
vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu ban đầu,
Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và
mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ điều khiều và hồi tiếp. Bộ ghép tập trung tín hiệu quang
và bộ tách sóng quang. Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến vì tính tương
thích của chúng với toàn bộ hệ thống quang.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 17


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

Hình 2.3. Sơ đồ tổng quát máy thu quang
Đặc tính của hệ thống số được đặc trưng bởi tỉ lệ lỗi bit BER. Nó được định nghĩa
là xác suất trung bình của bit thu bị lỗi trong tổng số bit được phát đi. Chẳng hạn khi
BER =10-9 thì tương ứng với xác suất xuất hiện một bit lỗi trong tổng số một tỉ bit được
phát đi. Một hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu BER <10-14 . Đôi khi người ta còn sử
dụng mã để sửa sai, để đạt yêu cầu BER cho trước.
Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến đó là photodiode PIN và
photodiode thác APD có cấu trúc bán dẫn xen giữa p-i-n .APD có thêm một lớp điện
trường mạnh để tạo ra nhiều cặp điện tử lổ trống cho phép tăng dòng photo.
2.4.1. Nguyên lý thu quang
Như đã nói ở trên, cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thụ ánh sáng
trong chất bán dẫn. Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng
hoá trị được chuyển dời tới vùng dẫn nhưng nếu không có một sự tác động xảy ra thì sẽ
không thu được kết quả gì mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh và tái hợp

trở lại với các lỗ trống vùng hoá trị. Do đó để biến đổi năng lượng quang thành điện ta
phải tận dụng trạng thái khi mà lỗ trống và điện tử chưa kịp tái hợp. Trong linh kiện thu
quang, lớp chuyển tiếp P - N được sử dụng để tách điện tử ra khỏi lỗ trống. Khi ánh sáng
đập vào vùng P sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan truyền đến vùng N. Trong quá trình đó,
các điện tử và lỗ trống đã được tạo ra và tại vùng nghèo do hấp thụ photon sẽ chuyển
động về hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường nên chúng tách rời
nhau. Vì không có điện trường ở bên ngoài vùng nghèo nên các điện tử và lỗ trống được
tạo ra do hiệu ứng quang điện và sẽ tái hợp trong quá trình chuyển động của chúng. Tuy

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 18


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
nhiên, sẽ có một vài điện tử di chuyển vào điện trường trong quá trình chuyển
động và có khả năng thâm nhập vào mỗi vùng. Và do đó có một điện thế sẽ được tạo ra
giữa các miền P và N. Nếu hai đầu của miền đó được nối với mạch điện ngoài thì các điện
tử và lỗ trống sẽ được tái hợp ở mạch ngoài và sẽ có dòng điện chạy qua.
2.4.2. Diode thu quang PIN
Photodiode PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu
điện. Cấu trúc cơ bản của Photodiode PIN gồm các vùng P và N đặt cách nhau bằng một
lớp tự dẫn i rất mỏng. Để thiết bị hoạt động thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng
bên trong rút hết các loại hạt mang. Khi có ánh sáng đi vào Photodiode PIN thì sẽ xảy ra
quá trình như sau. Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng
lượng hv lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong
Photodiode thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn, quá trình
này sẽ phát ra các cặp điện tử, lỗ trống. Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế
sao cho các hạt mang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh
sáng tới bị hấp thụ (hình 2.4). Sự có mặt của trường điện cao trong vùng nghèo làm cho

các hạt mang tách nhau ra và thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược. Điều này làm tăng
luồng dòng ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp mang được phát
ra và dòng này gọi là dòng photon.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 19


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

Hình 2.4. Sơ đồ vùng năng lượng của Photodiode PIN
2.4.3. Diode thu quang APD
Để tăng độ nhạy điốt quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng nhân
điện tử trong các bộ nhân quang điện.
Photodiode thác ký hiệu APD (Avalanche photodiode) có đặc tính tốt hơn đối với tín hiệu
nhỏ. Sau khi biến đổi các photon thành các điện tử thì nó khuếch đại ngay dòng photon ở
bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều này làm tăng
mức tín hiệu dẫn tới độ nhạy máy thu tăng lên đáng kể. Để thu được hiệu ứng nhân bên
trong thì các hạt mang phải được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hoá các điện
tử xung quanh do va chạm với chúng. Các điện tử xung quanh này được đẩy từ vùng hoá
trị tới vùng dẫn rồi tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện. Các hạt mang
mới này tạo ra tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát ra các cặp điện
tử - lỗ trống mới khác. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác.
2.4.4. So sánh diode thu quang PIN và APD
Linh kiện

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Diode quang thác APD

Diode quang PIN

Page 20


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
Tính năng
Độ nhạy thu ánh sáng cao

Độ nhạy thu ánh sáng thấp

Tạp âm lớn

Tạp âm ít

Điện áp hoạt động cao

Điện áp hoạt động thấp

Giá thành cao

Giá thành thấp

Hệ thống đường trục dài

Hệ thống thuê bao

Hệ thống đường trục ngắn

Hệ thống nhánh riêng rẽ

Các đặc tính

Ứng dụng

Bảng 2.3. Bảng so sánh diode thu quang APD và PIN
2.4.5. Nhiễu trong máy thu quang
+ Nhiễu dòng tối: Liên quan đến các điện tử và lỗ trống được tạo ra do nhiệt tại
mối nối P -N của photodiode. Chúng di chuyển theo điện áp phân cực bên ngoài, tạo ra
dòng tối, khi không có ánh sáng tác động vào photodiode.
+ Nhiễu nhiệt: Được tạo ra từ chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các điện tử ở
một nhiệt độ nhất định.
+ Các loại nhiễu chính trong máy thu quang bao gồm nhiễu lượng tử (hay còn gọi
là nhiễu bắn), nhiễu dòng tối và nhiễu nhiệt (hay còn gọi là nhiễu mạch). Nhiễu lượng
tử và nhiễu dòng tối liên quan đến photodiode, nhiễu nhiệt liên quan đến các
mạch điện tử.
+ Nhiễu bắn (hot noise) biểu thị bản chất ngẫu nhiên (có tính xác suất) của ánh
sáng (dưới dạng hạt) tác động vào photodiode. Đồng thời, phản ánh đặc tính cơ bản của
quá trình tách sóng là sự biến thiên của hạt mang photon được tạo ra trong photodiode.
2.5. Cáp sợi quang
Sợi quang đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong hệ thống
thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba số và thông tin
vệ tinh. Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sá ng trong sợi rất
SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 21


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

nhỏ, chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao trong sợi đơn
mode SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổn hao sợi là cơ sở để xác định khoảng lặp trong các
hệ thống thông tin sợi quang. Một thông số quan trọng khác của sợi quang là tán sắc sợi
gây ra vấn đề giãn nở xung tín hiệu tại máy thu. Nếu các xung bị trải rộng vượt quá khe
thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Tán sắc trở thành
vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi đơn mode khác nhau với các tốc độ khác
nhau. Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ dùng sợi đơn mode để truyền dẫn. Ở tốc độ bít
cao, trong sợi này cũng xảy ra hiện tượng tán sắc vật liệu do chiết suất của sợi thay đổi
theo bước sóng ánh sáng, cũng gây nên sự giãn nở xung. Sau đây, đồ án sẽ đi vào tìm hiểu
đặc tính của sợi quang nhằm hiểu rõ hơn các vấn đề trên.
2.5.1. Nguyên lý truyền dẫn sợi quang
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản xạ toàn
phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường có chiết suất
lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Để tìm hiểu về sự truyền dẫn ánh sáng trong
sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ
ánh sáng.
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt phân cách
của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu khi gặp
bề mặt phản xạ.
Ta xét một ví dụ như sau: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có chiết suất n1
sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 trong đó n1 > n2 .

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 22


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

Hình 2.5. Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.
Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi trường một phần bị phản xạ, một phần bị
khúc xạ theo các góc và các tia như ở hình 2.5
Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: θ = β
Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sinθ = n2.sinα
Do n1 > n2 nên θ < α. Nếu tăng góc tới θ thì góc khúc xạ tăng theo tới một giá trị nào đó
mà góc tới θ = θ0 thì góc khúc xạ α = 900. Khi đó tia khúc xạ song song với mặt mặt phân
cách hai môi trường. Lúc này θ0 là giá trị tới hạn của góc tới (gọi là góc tới hạn). Lúc này
không còn tia khúc xạ nữa. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
Góc tới hạn sin  0 

n2
n
hay  0  arcsin 2
n1
n1

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang môi trường
kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong sợi
quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được truyền đi từ
đầu này tới đầu kia.

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 23

Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo gồm một
lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết suất n2, với n1 >
n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trên mặt tiếp giáp
giữa lớp lõi và lớp vỏ . Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi dọc theo cự ly dài
ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn.

Hình 2.6. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
Góc tới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là θo, do vậy, góc tiếp nhận ánh sáng tới hạn θio
sẽ thỏa mãn điều kiện:
no.sin θio = n1.sin θro = n1.sin (900 – θo) = n1. cosθo
n0 . sin  i 0  n1 . 1  sin 2  0  n1 . 1 

n2

2

n1

2

2

2

 n1  n 2  NA

Do chiết suất không khí là n0  1 nên NA  sin  i 0  n12  n2 2
NA được gọi là độ mở số của sợi quang, θio là góc tiếp nhận ánh sáng cực đại, nó sẽ
tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc θi >

θio nằm ngoài hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Như
vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn
phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó tia sáng đi theo đường dích dắc. Nếu gọi  là độ
lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp vỏ thì:  

n1  n2
.
n1
2

Trên thực tế: n1  n2 do đó: NA  n1 2  n2 2  n1 .

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

n1  n 2
n1

2

2

 n1 . 2 

Page 24


Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
2.5.2. Sợi quang và cáp quang
Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi trong suốt nhưng khác
nhau về chiết suất. Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua còn lớp vỏ bao quanh lõi và có đường

kính tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể.
Theo nguyên lý đó người ta chế tạo ra các loại sợi quang có thể truyền tín hiệu
dạng ánh sáng trong đó. Sợi quang dẫn được cấu tạo từ một sợi thủy tinh được bao bọc
bằng lớp thủy tinh có ngoài là vỏ bọc để tránh các nguồn gây nhiễu. Khi một ánh sáng
đi vào sợi quang với một góc hẹp so với trục của sợi quang sẽ bị phản xạ liên tục cho tới
khi truyền đến đầu cuối của sợi. Có hai loại cáp quang cáp đơn mode và cáp đa mode.
Cáp quang đa mode có chỉ số phức tạp hơn vì nó phụ thuộc dãi thông và đặc tuyến tần số
của sợi cáp. Đường kính của sợi quang phụ thuộc vào mode của nó. Đối với sợi đơn
mode thường có đường kính từ 7-10um còn đa mode từ 50- 85um.
Cáp quang gồm một hay nhiều bó các sợi quang nhỏ được bảo vệ bằng một lớp vỏ
kim loại hay nhựa để chống lại tác động cơ học. Với cấu trúc này cáp quang có thể truyền
được dung lượng rất lớn. Cáp sợi quang cần phải đảm bảo các yêu cầu chính như: không
bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không bị thấm nước, lọt nước...
Các loại sợi cáp quang:Có 2 loại là sợi đơn mode (Single mode) và sợi đa mode (multi
mode).
Đường kính lõi sợi đơn mode: từ 8 - 10 micromet
Đường kính lõi sợi đa mode: 50 micromet

SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ

Page 25