Giáo trình thông tin quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
TS. Trần Cảnh Dương (Chủ biên)
ThS. Hoàng Anh Dũng

GIÁO TRÌNH THÔNG TIN QUANG
Tài liệu lưu hành nội bộ dùng cho người tự học

Hà Nội, tháng 01 năm 2016


LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin truyền thông đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã
hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện thiết yếu để phát triển kinh
tế. Thời gian qua nền kinh tế của nước ta đã chuyển biến tích cực, hòa nhịp với sự phát
triển chung của khu vực và thế giới. Xu thế toàn cầu hóa về thương mại và thông tin đòi
hỏi phải phát triển những xa lộ thông tin thỏa mãn các nhu cầu và dịch vụ ngày càng phong
phú.
Khoa học công nghệ, kỹ thuật vô tuyến, thông tin vệ tinh đang có nhiều bước tiến
quan trọng nhưng việc xây dựng hệ thống cáp quang rộng khắp, đặc biệt đối với mạng
đường trục là một phương án hữu hiệu nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và kết hợp các
phương thức ngày càng tăng trong xã hội thông tin. Thông tin quang có nhiều ưu điểm và
đóng vai trò then chốt trong hệ thống truyền thông do vậy môn học thông tin quang nằm
trong chương trình đào tạo chuyên môn công nghệ điện tử, truyền thông của các Trường
Đại học trong và ngoài nước. Theo xu thế chung và nhu cầu của xã hội, Khoa Công nghệ
Điện tử - Thông tin của Viện Đại học Mở Hà Nội đưa môn học thông tin quang vào
chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành điện tử, thông tin. Cuốn giáo trình thông tin
quang được biên soạn nhằm trang bị kiến thức, kỹ năng cho sinh viên về thông tin quang.
Giáo trình gồm 9 chương. Chương thứ nhất trình bày tổng quan về hệ thống thông tin
quang. Chương thứ hai đề cập các phần tử biến đổi điện - quang. Chương thứ ba trình bày
các phần tử chuyển đổi quang - điện. Chương 4 xem xét sợi quang. Chương 5 trình bày hệ

thống thông tin quang. Chương 6 đề cập công nghệ truyền tải ghép kênh theo bước sóng
WDM. Chương 7 trình bày truyền tải IP/WDM và chuyển mạch quang trong hệ thống
thông tin quang. Chương 8 giới thiệu một số công nghệ quang tiên tiến. Chương 9 đề cập
về khuếch đại quang. Trong mỗi chương tác giả trình bày cơ sở và nguyên lý hoạt động,
các tham số cơ bản để học viên có thể hiểu sâu về mặt lý thuyết và mở rộng kiến thức
thông qua tài liệu tham khảo tài liệu từ đó chọn hướng nghiên cứu thích hợp.
Người học có thể làm bài tập và vận dụng vào thực tế mạng cáp quang. Sau khi tốt
nghiệp sinh viên có thể vận dụng kiến thức đã học vào môi trường viễn thông thực tế và
tham gia vận hành, khai thác các hệ thống thông tin quang hoặc nghiên cứu, đề xuất các
giải pháp kỹ thuật hữu hiệu.
Tác giả chân thành cám ơn ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia, đồng
nghiệp trong quá trình biên soạn giáo trình. Tuy nhiên, quá trình biên soạn không tránh
khỏi các thiếu sót và các tác giả mong muốn nhận được những ý kiến xây dựng từ bạn đọc
gần xa, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
Khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội
Xin chân thành cảm ơn!
CÁC TÁC GIẢ

ii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................ii
MỤC LỤC

.......................................................................................................................iii

MỘT SỐ THUẬT NGỮ ....................................................................................................... ix
Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG .............................. 1

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ............................ 2
1.1.1. KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG ................................................................. 2
1.1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG .............................. 2
1.1.3. ĐẶC TÍNH CỦA THÔNG TIN QUANG ......................................................... 5
1.2. MÔ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ................................... 5
1.2.1. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang.......................................... 5
1.2.2. Phân loại hệ thống thông tin quang .................................................................... 6
1.2.3. Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang ........................................................... 6
1.3. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG ..... 9
1.3.1. Truy nhập mạng quang ....................................................................................... 9
1.3.2. Công nghệ AON ............................................................................................... 10
1.3.3. Công nghệ PON................................................................................................ 10
1.3.4. Công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent) ....................................................... 10
1.3.5. Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang (RoF) ....... 10
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ........................................................................................... 11
Bài tập ôn tập chương 1 ....................................................................................................... 12
Chương 2.

CÁC PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG ............................................ 18

2.1. MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ÁNH SÁNG .................................................................. 19
2.2. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG ................................................................ 21
2.2.1. Hiện tượng hấp thụ ........................................................................................... 21
2.2.2. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission) ........................................ 21
2.2.3. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision) ........................................ 22
2.2.4. Tiếp giáp P-N ................................................................................................... 22
2.3. NGUỒN QUANG......................................................................................................... 24
2.3.1. Khái niệm nguồn quang ................................................................................... 24

2.3.2. Yêu cầu đối với nguồn quang ........................................................................... 24
2.3.3. Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode) ............................................... 25
2.3.4. LASER DIODE (LD) ....................................................................................... 30
2.3.5. Bộ phát quang ................................................................................................... 35
iii


TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ........................................................................................... 38
Bài tập ôn tập chương 2 ....................................................................................................... 39
Chương 3.

PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN .............................................. 46

3.1. KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ CHUYỂN ĐỔI QUANG-ĐIỆN ........... 47
3.1.1. Khái niệm cơ bản về bộ thu quang ................................................................... 47
3.1.2. Thông số cơ bản ............................................................................................... 48
3.2. PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN ............................................ 52
3.2.1. DIODE thu quang P-N ..................................................................................... 52
3.2.2. DIODE thu quang pin....................................................................................... 53
3.2.3. DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) .................................. 55
3.2.4. SO SÁNH ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA PIN VÀ APD ............................... 58
3.3. BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI ............................................................................................. 58
3.3.1. BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG THẤP ............................................. 58
3.3.2. BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG CAO ............................................... 60
3.3.3. BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TRỞ KHÁNG ...................................... 62
3.4. NHIỄU CỦA BỘ THU QUANG ................................................................................. 63
3.4.1. Nhiễu nổ ........................................................................................................... 63
3.4.2. Nhiễu nhiệt ....................................................................................................... 64
3.4.3. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu - SNR ........................................................................ 65
3.5. THAM SỐ CỦA BỘ THU QUANG ............................................................................ 66

3.5.1. Tỷ lệ lỗi bit ....................................................................................................... 66
3.5.2. Quan hệ giữa BER và SNR .............................................................................. 67
3.5.3. Công suất thu tối thiểu...................................................................................... 67
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ........................................................................................... 68
Bài tập ôn tập chương 3 ....................................................................................................... 69
Chương 4.

SỢI QUANG ................................................................................................ 76

4.1. CẤU TRÚC SỢI QUANG VÀ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ........ 77
4.1.1. CẤU TRÚC SỢI QUANG ............................................................................... 77
4.1.2. PHÂN LOẠI SỢI QUANG .............................................................................. 78
4.1.3. CƠ SỞ TRUYỀN SÓNG ................................................................................. 78
4.1.4. TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT
BẬC (MM-SI) ............................................................................................................ 83
4.1.5. TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT
BIẾN ĐỔI (MM-GI) .................................................................................................. 84
4.1.6. TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐƠN MODE (SM) ............... 84
iv


4.2. THAM SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG .................................................................... 85
4.2.1. TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG ................................................................... 85
4.2.2. SUY HAO TRONG SỢI QUANG ................................................................... 91
4.2.3. HIỆU ỨNG PHI TUYẾN................................................................................. 95
4.3. MỘT SỐ LOẠI CÁP QUANG TRÊN THỰC TẾ ....................................................... 97
4.3.1 CÁP QUANG ĐA MODE 4 SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR ............ 97
4.3.2. CÁP QUANG AMP ĐA MODE 4 SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR . 98
4.3.3. CÁP QUANG ĐƠN MODE (SINGLEMODE) LUỒN CỐNG 8 SỢI QUANG
...................................................................................................................... 98

4.3.4. CÁP QUANG ĐƠN MODE 24 SỢI, TREO NGOÀI TRỜI, HÌNH SỐ 8 ...... 99
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 101
Bài tập ôn tập chương 4 ..................................................................................................... 102
Chương 5.

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ......................................................... 109

5.1. Mô hình hệ thống thông tin quang .............................................................................. 110
5.1.1. Cấu hình của hệ thống thông tin quang .......................................................... 110
5.1.2. Các phần tử cơ bản của hệ thống truyền dẫn cáp quang ................................ 111
5.2. Mô hình hệ thống thông tin quang đơn kênh .............................................................. 111
5.2.1. Phân loại hệ thống thông tin quang đơn kênh điểm-điềm .............................. 111
5.2.2. Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống ............................................................ 111
5.2.3. Ảnh hưởng của tán sắc ................................................................................... 113
5.3. Hệ thống truyền dẫn đa kênh ...................................................................................... 114
5.3.1. Nhu cầu sử dụng ............................................................................................. 114
5.3.2. Cấu hình mạng phân bố .................................................................................. 114
5.3.3. Cấu hình mạng cục bộ LAN ........................................................................... 116
5.4. Một số vấn đề trong thiết kế hệ thống thông tin quang .............................................. 117
5.4.1. Yêu cầu thiết kế tuyến thông tin quang .......................................................... 117
5.4.2. Mã đường truyền ............................................................................................ 117
5.4.3. Cấu hình truyền dẫn cáp quang ...................................................................... 117
5.4.4. Kỹ thuật ghép kênh......................................................................................... 118
5.4.5. Thiết kế tuyến thông tin quang có bù suy hao ................................................ 121
5.4.6. Thiết kế tuyến thông tin quang có bù tán sắc ................................................. 121
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 123
Bài tập ôn tập chương 5 ..................................................................................................... 124
Chương 6.

CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM ........................................................ 131

6.1. NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) .................................... 132
v


6.1.1. Khái niệm WDM ............................................................................................ 132
6.1.2. Các dải băng tần trong WDM......................................................................... 132
6.1.3. Lịch sử phát triển của WDM .......................................................................... 132
6.1.4. Cấu hình hệ thống truyền dẫn WDM ............................................................. 133
6.1.5. Hệ thống WDM đơn hướng............................................................................ 133
6.1.6. Hệ thống WDM song hướng .......................................................................... 134
6.1.7. Mô hình WDM điểm-điểm ............................................................................. 134
6.1.8. Tham số của hệ thống WDM ......................................................................... 135
6.1.9. Phân loại hệ thống WDM ............................................................................... 136
6.2. PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM ......................................................... 136
6.2.1. Nguồn quang .................................................................................................. 136
6.2.2. Bộ thu quang .................................................................................................. 137
6.2.3. Sợi quang ........................................................................................................ 137
6.2.4. Bộ tách /ghép bước sóng ................................................................................ 138
6.2.5. Bộ xen/rẽ bước sóng (OADM) ....................................................................... 145
6.3. YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG WDM ........................... 148
6.3.1. Một số khái niệm ............................................................................................ 148
6.3.2. Hiệu ứng quang phi tuyến .............................................................................. 149
6.4. MẠNG TRUYỀN TẢI WDM .................................................................................... 150
6.4.1. Cấu hình mạng truyền tải WDM .................................................................... 150
6.4.2. Quản lý và báo vệ trong mạng WDM ............................................................ 150
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 152
Bài tập ôn tập chương 6 ..................................................................................................... 153
Chương 7.

TRUYỀN TẢI IP/WDM VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG ....................... 161

7.1. MẠNG TRUYỀN TẢI IP/WDM ............................................................................... 162
7.1.1. Đặc điểm chung của IP và WDM ................................................................... 162
7.1.2. Cấu hình chung truyền tải IP/WDM............................................................... 162
7.1.3. Mô hình truyền tải IP/WDM .......................................................................... 163
7.1.4. Phân loại cấu trúc mạng IP/WDM ................................................................. 163
7.1.5. Điều khiển truy nhập mạng IP/ WDM ........................................................... 167
7.2. CHUYỂN MẠCH QUANG ....................................................................................... 167
7.2.1. Khái niệm ....................................................................................................... 167
7.2.2. Kiến trúc mạng cáp quang .............................................................................. 168
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 174
vi


Bài tập ôn tập chương 7 ..................................................................................................... 175
Chương 8.

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ QUANG TIÊN TIẾN ......................................... 182

8.1. TRUY NHẬP MẠNG SỢI QUANG (FTTx) ............................................................. 183
8.1.1. Truy nhập trong mạng sợi quang (FTTx) ....................................................... 183
8.1.2. Công nghệ truy nhập quang chủ động (AON) ............................................... 184
8.1.3. Công nghệ truy nhập quang thụ động (PON) ................................................. 185
8.2. HỆ THỐNG QUANG LIÊN KẾT (COHERENT) ..................................................... 186
8.3. HỆ THỐNG QUANG SOLITON............................................................................... 188
8.3.1. Khái niệm về sóng đơn (soliton) .................................................................... 188
8.3.2. Sơ đồ mạch vòng sợi quang ........................................................................... 189
8.3.3. Mô hình hệ thống ........................................................................................... 190
8.3.4. Mở rộng xung soliton do tổn hao ................................................................... 190

8.3.5. Tự điều chế pha (SPM) .................................................................................. 191
8.3.6. Bộ khuếch đại ................................................................................................. 192
8.3.7. Khuếch đại phân bố ........................................................................................ 193
8.3.8. Hiện tượng tán xạ trong sợi quang ................................................................. 193
8.3.9. Đặc tính phi tuyến của sợi quang ................................................................... 193
8.3.10. Sử dụng sóng đơn quang cho hệ thống thông tin toàn quang ...................... 194
8.4. CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU VÔ TUYẾN VÀ TRUYỀNQUA SỢI QUANG ........... 196
8.4.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 196
8.4.2. Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyếnvà truyền qua sợi quang ................. 196
8.4.3. Ưu, nhược điểm của chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang 198
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 200
Bài tập ôn tập chương 8 ..................................................................................................... 201
Chương 9.

KHUẾCH ĐẠI QUANG............................................................................ 209

9.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 210
9.1.1. Quá trình phát triển......................................................................................... 210
9.1.2. Các tham số cơ bản......................................................................................... 210
9.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) ............................................................. 212
9.2.1 Khái niệm và phân loại bộ khuếch đại quang bán dẫn .................................... 212
9.2.2. Bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP-SOA ............................... 213
9.2.3. Bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy TW-SOA .................................................. 214
9.2.4. Một số vấn đề của SOA .................................................................................. 214
9.3. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) .......................... 215
vii


9.3.1. Cấu trúc .......................................................................................................... 215
9.3.2. Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 216

9.3.3. Phổ của bộ khuếch đại quang sử dụng EDFA ................................................ 216
9.3.4. Cấu hình bộ EDFA bơm hai chiều ................................................................. 217
9.4. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RFA).......................... 217
9.4.1. Khái niệm ....................................................................................................... 217
9.4.2. Cấu trúc .......................................................................................................... 218
9.4.3. Hệ số khuếch đại và độ rộng băng tần Raman ............................................... 218
TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG ......................................................................................... 220
Bài tập ôn tập chương 9 ..................................................................................................... 221
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 228
PHỤ LỤC. ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ........................................................... 229

viii


MỘT SỐ THUẬT NGỮ
Viết tắt
AFC
AGC
AMP
AON
APD
ASE
ATM
AWG

BA
BBoF
BER
BS
BWDM

C-band
Coherent
CWDM
CWL

Từ tiếng Anh
Automatic frequency control
Automatic gain control
Amplifier
Active Optical Network
Avalanche Photodiode
Amplified Spontanous Emission
Asynchronous Transfer Mode
Array of waveguide Grating
Abrupt decrease
Absorrtion
Absorption coeficient
Active medium
Add Port
All lights reflected
Amplified optical output signal

Từ tiếng Việt
Điều chỉnh tần số tự động
Tự động điều chỉnh khuếch đại
Bộ khuếch đại tín hiệu điện
Mạng quang chủ động
Đi ốt thác lũ
Bức xạ tự phát được khuếch đại

Mô hình truyền không đồng bộ
Mảng cách tử dẫn sóng
Giảm đột ngột
Hấp thụ
Hệ số hấp thụ
Môi trường tích cực
Cổng xen
Ánh sáng phản xạ toàn phần
Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại
quang
Tín hiệu được khuếch đại
Biên độ
Lớp vỏ chống phản xạ
Hệ số khuếch đại APD
Mảng sợi quang
Mảng ống dẫn sóng
Bộ khuếch đại công suất
Truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi
quang
Tỷ lệ bit lỗi
Trạm gốc
Hệ thống WDM băng tần rộng
Sườn sau của xung
Lớp phủ bảo vệ sợi quang
Cách tử Bragg
Định luật Bragg (luật về sự phản chiếu
của tia X khi qua pha lê)
Vùng dẫn điện tử - lỗ trống
Điện trường
Hệ số

Ánh sáng tới
Cường độ ánh sáng
Dải băng tần trung bình
Công nghệ tách sóng kết hợp
Hệ thống WDM ghép mật độ thấp
Bộ dao động quang sử dụng laser bán
dẫn
Hạ tầng tổng đài

Amlified signal
Amplitude
Antireflection Coating
APD gain
Array of fibers
Array of waveguides
Booster Amplifier
Base Frequency Band over fiber
Bit Error Rate
Base Station
Broad passband WDM
Back of pulse
Buffer coating
Bragg Grating
Bragg’s law
Election-hole production region
Electric field
Factor
Incident light
Light intensity
Conventional band

Coarse WDM
Continuous Wave Laser
Central Office Infrastructure
ix


DBR
DCF
DE
DEC
DEMOD
DEMUX
DFB
DPSK
DWDM

E-band
EDFA
ELED

Thiết bị tổng đài
Kết cuối đường quang tổng đài

Central Office Equipment
Central Office Optical line
terminal
Chromatic dispersion
Cladding
Clock Recovery
Collimating optics

Communication system
Conduction band
Control
Core
Coupler
Critical angle
Crystal Waveguider
Current
Distributed Bragg Reflector
Dispersion Compensation Fiber
Drive Equipment

Tán sắc sắc thể
Lớp vỏ sợi quang
Phục hồi đồng bộ
Dụng cụ quang chuẩn
Hệ thống truyền thông
Vùng dẫn
Điều khiển
Lõi sợi quang
Bộ nối ghép
Góc tới hạn
Ống dẫn sóng tinh thể
Dòng điện
Laser bộ phản xạ Bragg
Sợi bù tán sắc
Thiết bị điều khiển (khuếch đại tín hiệu
đầu vào)
Khối tách sóng
Khối giải điều chế quang

Bộ tách kênh
Laser phân bố hồi tiếp
Khóa dịch pha phân biệt
Hệ thống WDM ghép mật độ cao
Phục hồi dữ liệu
Dòng tối
Cách tử nhiễu xạ phẳng
Trễ
Sợi cáp nhỏ đến từng nhà
Vùng nghèo
Nhiễu xạ
Khoảng cách
Mạch vòng phân phối và rẽ nhánh
Cổng rẽ
Dải băng tần mở rộng
Khuếch đại quang Erbium
LED phát xạ cạnh
Điốt phát xạ cạnh
Vùng dẫn điện tử - lỗ trống.
Điện trường
Kết hợp điện tử - lỗ trống
Bộ khuếch đại điện
Vùng năng lượng
Dải cấm năng lượng
Sợi quang pha Erbium

Detector
Demodulator
Demultiplexer
Distributed Feedback Laser

differential phase-shift keying
Dense WDM
Data Recovery
Dark current
Defraction Grating
Delay
Dedicated fiber to each home
Depletion region
Diffracted Light
Distance
Distribution & Drop loop
Drop Port
Extended band
Erbium doped Fiber Amplifier
Edge emitting LED
Edge emitting LED
Election-hole production region
Electric field
Electron hole recombination
Electrical Amplifier
Energy band
Energy band gap
Erbium-doped Fiber
x


L-band
LC

Exact

Excited state
External battery
Fiber Bragg Grating
Frequency Division Multiplex
Fabry- Perot
Fabry – Perot Amplifier
Fiber To The Building
Fiber To The Curb
Fiber To The Home
Fiber To The Office
Fiber To The x
Four Wave Mixing
Feeder Loop
Fiber
Fiber-to-Amplifier Couple
Frequency Shift
Front of pulse
Gigabit Ethernet
Graded-index
Group Velocity Dispersion
Gigabit Ethernet intrerface
Gain
Gigabit Ethernet switch
Graded-index lens
Ground state
Heterodyne
Intermediate frequency over Fiber
Intensity Modulation - Direct
Detection
Internet Protocol

Integrated Service Digital
Network
Incident light
Input
Integrated Themal Tuner
Interference Pattern
Isolation Layer
Line Amplifier
Local Area Network
Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
Long wavelength band
Laser Control

LD

Laser Diode

FBG
FDM
F-P
FPA
FTTB
FTTC
FTTH
FTTO
FTTx
FWM

GbE

GI
GVD

IFoF
IM-DD
IP
ISDN

LA
LAN
LASER

xi

Chính xác
Trạng thái kích thích
Pin (acquy) phía ngoài
Cách tử sợi quang Bragg
Ghép kênh phân chia theo tần số
Khoang cộng hưởng Fabry- Perot
Bộ khuếch đại Fabry – Perot
Cáp quang kết nối tới tòa nhà
Cáp quang kết nối tới tủ thiết bị
Cáp quang kết nối tới nhà
Cáp quang kết nối tới văn phòng
Cáp quang kết nối tới đầu cuối x
Trộn bốn sóng
Mạch vòng đường nhánh
Sợi quang
Ghép sợi quang với bộ khuếch đại

Dịch tần số
Sườn trước của xung
Chiết suất biến đổi
Tán sắc vận tốc nhóm
Giao diện Gigabit Ethernet
Độ tăng
Chuyển mạch Gigabit Ethernet
Thấu kính chiết suất biến đổi
Trạng thái nền
Bộ tạo phách
Truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang
Điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp.
Giao thức internet
Dịch vụ số tích hợp
Ánh sáng tới
Đầu vào
Bộ điều chỉnh nhiệt kết hợp
Mẫu nhiễu
Tầng cách ly
Bộ khuếch đại đường truyền
Mạng cục bộ
Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích
thích
Dải băng tần bước sóng dài
Điều khiển Laser (ổn định bước sóng
phát ra của bộ dao động quang)
Điốt phát tia Laser


LED

LLO

Light Emitting Diode
Laser Local Oscillator

LOC

Local Oscillator Control

Điốt phát quang
Bộ dao động nội tại bộ thu sử dụng
laser bán dẫn
Điều khiển tín hiệu dao động nội (ổn
định pha và tần số)
Thấu kính
Đường tuyến tính
Tổn hao
Đa mode
Sợi cáp đa mode chiết suất biến đổi
Sợi cáp đa mode chiết suất bậc
Khối điều chế quang
Bộ ghép kênh
Lỗ cống/cột
Tầng tiếp xúc kim loại
Dòng hạt tải thiểu số
Gương
Trường mode
Sợi cáp đơn mode chiết suất bậc
Khẩu độ số
Hình ảnh nhiễu

Schroedinger phi tuyến
Dạng không trở về không
Vùng nghèo hẹp lại
Phía bán dẫn N
Bán dẫn loại N
Lớp nền kiểu N
Bộ khuếch đại quang
Bộ xen rẽ ghép bước sóng quang
Dải băng tần cơ sở
Bộ tách kênh quang
Ghép kênh quang phân chia theo tần số

Lens
Linear
Loss
MM
Multimode
MM-GI
Multimode Graded-index fiber
MM-SI
Multimode Step-index fiber
MOD
Modulator
MUX
Multiplexer
Manhole/Pole
Metal Contact Layer
Minority Carrier flow
Mirror
Mode field

Monomode Step-index fiber
NA
Numerical Aperture
NF
Noise Figure
NLS
Nonlinear Schroedinger
NRZ
Non return to zero
Narrowed depletion region
N side
N- type
N-Type Substrate
OA
Optical Amplifier
OADM
Optical Add/Drop Multiplexer
O-band
Original band
ODEMUX Optical Demultiplexer
OFDM
Optical Frequency Division
Multiplexing
OLSR
Optical Label Switching Router
OLT
Optical Line Terminal
OMUX
ONT

Optical Multiplexer
Optical Network Terminal

ONU
OPR
OPS
OSC
OSPF

Optical Network Units
Optical Packet Router
Optical Packet Switching
Optical Supervision Channel
Open Shortest Path First

OTDM

Optical Time Division
Multiplexing

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn quang
Thiết bị kết nối cuối đường dây quang
tại trạm
Bộ ghép kênh quang
Thiết bị kết nối cuối mạng tại khách
hàng
Các bộ mạng quang
Bộ định tuyến gói quang
Chuyển mạch gói quang
Kênh giám sát quang

Giao thức đường ngắn nhất theo thứ tự
mở
Ghép kênh quang phân chia theo thời
gian
xii


OTN
OTS
OXC

PA
PCM
PIN
PMD
PON

Optical Transport Network
Optical Transmission Section
Optical Cross Connect
OE conversion
Optical fiber
Optical Frequency
Optical input signal
Optical isolator
Optical Switch
Optical tab
Output
Ouput power
Output Fiber

Preamlifier
Pulse Code Modulation
PIN Photodiode

RA

Polarization Mode Dispersion
Passive Optical Network
Penetration depth
Perturbation
Photo detector
Piezoelectric Transducer
Polarization beam splitter
Port
Primary coating
P side
P type
Pulse shape
Pumping
Pump Laser
Pump light
Pump source
Pump Wavelength
Raman Amplifier

RAP
RAU
RF
RFA
RFoF

RHD
RoF

Radio Access Point
Remote Antenna Unit
Radio Frequency
Raman based Fiber Amplifier
Radio Frequency over Fiber
Remote HeterodyneDetector
Radio over Fiber

RWA

Routing and Wavelength
Assignment

Mạng truyền tải quang
Đoạn truyền dẫn quang
Bộ nối chéo quang
Chuyển đổi quang điện
Sợi quang
Tần số quang
Tín hiệu quang vào
Bộ chia quang
Chuyển mạch quang
Nối phân nhánh quang
Đầu ra
Công suất ra
Sợi quang đầu ra
Bộ tiền khuếch đại

Điều chế xung mã
Đi ốt thu quang có ba lớp bán dẫn P, I,
N
Tán sắc mode phân cực
Mạng quang thụ động
Độ sâu thâm nhập
Sự chệch
Tách sóng quang (Linh kiện thu quang)
Bộ chuyển đổi cơ điện
Bộ chia chùm ánh sáng phân cực
Cổng
Lớp phủ bên ngoài của sợi quang
Phía bán dẫn P
Bán dẫn loại P
Dạng xung
Sự bơm
Laser bơm
Ánh sáng bơm
Nguồn bơm
Bước sóng bơm
Khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng
Raman
Điểm truy cập vô tuyến
Khối anten đầu xa
Tần số vô tuyến
Bộ khuếch đại quang Raman
Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang
Tách sóng Heterodyne đầu xa
Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô
tuyến và truyền qua sợi quang

Định tuyến và gán bước sóng

xiii


RZ

S-band
SBS
SC
SCM
SDM
SDH
SI
SLA
SM
SMF
SNR
SOA
SONET
SPM
SRS

TDM
TW
U-band
UV

Return to zero
Raman gain efficiency

Reflected ray
Refractive index
Refracted ray
Remote Node with Active
Electronics Equipment
Responsivity
Ring
Short wavelength band
Stimulated Brillouin Scattering
SubCarrier
SubCarrier Multiplexing
Subcarrier Multiplex
Synchronous Digital Hierarchy
Step index
Semiconductor Laser Amplifier
Single mode
Single Mode Fiber
Signal to Noise Ratio
Semiconductor Optical Amplifier
Synchronous Optical Network
Self Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering
Secondary coating
Shared Feeder fiber
Solition
Spontaneous Emission
Semiconductor
Sensitivity
Shared Feeder fiber
Signal wavelength goes this way

Solition
Space Switches
Star Coupler
Stimulated Emision
Strong output signal
Suface emitting LED
Switch
Time Division Multiplex
Traveling Wave
Tree
Ultra-long wavelength band
Ultrasonic Traveling Wave
Ultrasonic Transducer
Up and down stream
xiv

Dạng trở về không
Hiệu quả khuếch đại Raman
Tia phản xạ
Chiết suất khúc xạ
Tia khúc xạ
Nút từ xa dùng Thiết bị điện tử tích cực
Đáp ứng
Mạch vòng
Dải băng tần bước sóng ngắn
Tán xạ kích thích Brillouin
Sóng mang phụ
Ghép kênh sóng mang phụ
Ghép kênh sóng mang con
Phân cấp số đồng bộ

Chiết suất bậc
Bộ khuếch đại Laser bán dẫn
Đơn mode
Sợi quang đơn mode
Tỷ lệ tín hiệu nhiễu
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ
Tự điều chế pha
Tán xạ kích thích Raman
Vỏ sợi quang
Sợi cáp quang nhánh dùng chung
Sóng đơn
Hiện tượng phát xạ tự phát
Bán dẫn
Độ nhạy
Sợi cáp quang nhánh dùng chung
Bước sóng tín hiệu đi trên đường này
Sóng đơn
Chuyển mạch không gian
Bộ nối hình sao
Hiện tượng phát xạ kích thích
Tín hiệu đầu ra mạnh
Điốt phát xạ mặt
Chuyển mạch
Ghép kênh phân chia theo thời gian.
Bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy
Cây
Dải băng tần có bước sóng cực dài
Sóng siêu âm
Bộ chuyển đổi siêu âm

Chiều lên và xuống


WDM
WLAN

XPM
∆𝑓
𝜔(𝑡)
I(t)
λc
η
Tr
t
λ
S
ch
L
sig

Người dùng
Vùng hóa trị
Nguồn biến đổi
Ghép kênh theo bước sóng

User
Valence band
Variable Source
Wavelength Division
Multiplexing

Wireless Local Area Network
Waveguide
Waveguide Layer
Waveguide region
Wavelength Converter
Wavelength selective coupler
WDM Filter
Weak optical signal
Wedened depletion region
Cross-Phase Modulation
Band width
Frequency
Intensity
Long wavelength cut-off
Quantum Efficiency
Rise time
Time
Wavelength

Mạng cục bộ không dây
Ống dẫn sóng
Tầng dẫn sóng
Vùng dẫn sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng
Bộ ghép chọn bước sóng
Bộ lọc WDM
Tín hiệu quang yếu
Vùng nghèo được mở rộng
Hiệu ứng điều chế pha chéo
Độ rộng băng tần

Tần số
Cường độ
Bước sóng cắt
Hiệu suất lượng tử
Thời gian lên
Thời gian
Bước sóng
Bước sóng kênh giám sát quang
Khoảng cách kênh
Dải phổ tự do
Độ rộng băng tần của tín hiệu đa kênh

xv


Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

MỤC TIÊU
Mục tiêu của chương 1 giúp cho người đọc hiểu được:
1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin quang.
2. Cấu hình của hệ thống thông tin quang.
3. Tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang.
NỘI DUNG
Phần 1: Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang.
Phần này đề cập khái niệm và quá trình phát triển thông tin quang từ thời thượng cổ,
trải qua các mốc đáng ghi nhớ của thế kỷ 17 và 18 cho đến giai đoạn nghiên cứu hiện đại
của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser vào năm 1960 tiếp đến là nghiên cứu
tạo ra sợi quang suy hao thấp vào những năm 1970, phát minh ra bộ khuếch đại quang vào
những năm 80 và sự ra đời của cách tử Bragg sợi quang vào những năm 90.

Phần 2: Mô hình chung của hệ thống thông tin quang.
Phần này trình bày sơ đồ khối cơ bản vàphân loại hệ thống thông tin quang, cấu hình
của hệ thống truyền dẫn cáp quang
Phần 3: Tổng quan các công nghệ trong kỹ thuật thông tin quang.
Phần này đề cập truy nhập mạng quang và cấu hình mạng quang chủ động (AONActive Optical Network), Công nghệ mạng quang thụ động (PON- Passive Optical
Network), công nghệ Coherent hay công nghệ tách sóng tổng hợp,công nghệ RoF (Radio
over Fiber) là công nghệ chuyển tiếp sóng vô tuyến và truyền qua sợi quang.


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1.1. KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG
Thông tin quang là thông tin được truyền qua hệ thống truyền tin sợi quang. Hệ
thống thông tin quang là hệ thống truyền tin thông qua sợi quang, gồm có bộ phát, bộ nhận
và môi trường truyền dẫn.Thông tin được chuyển thành ánh sáng, sau đó ánh sáng được
truyền qua sợi quang và nơi nhận sẽ biến đổi ánh sáng trở lại thông tin ban đầu.
1.1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG
Phương tiện sơ khai ban đầu của hệ thống này chính là đôi mắt. Về bộ phát, từ thời
thượng cổ, con người đã biết sử dụng lửa và khói để làm báo hiệu.Chớp sáng đã được sử
dụng để truyền tin giữa các chiến thuyền. Hệ thống thông tin điều chế đơn giản ban đầu có
thể lấy ví dụ là đèn hải đăng, đèn hiệu.
Một số mốc đáng ghi nhớ về quá trình phát triển của hệ thống này như sau:
 Năm 1775 Paul Revere dùng ánh sáng báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo
tới.
 Năm 1790 Claude Chappe, kỹ sư Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang
(optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu
trên đó. Hệ thống này đã truyền được tín hiệu qua khoảng cách 200 km trong
vòng 15 phút.
 Năm 1854 John Tyndall, nhà vật lý người Anh, thí nghiệm và chứng minh ánh

sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt.
 Năm 1870 John Tyndall đã chứng minh ánh sáng có thể dẫn theo một vòi nước
uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần.
 Năm 1880 Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh hệ thống thông tin
ánh sáng photophone. Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng
mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi. Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã
được điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó biến đổi thông điệp ánh sáng
thành dòng điện. Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này. Hệ thống
photophone chưa bao giờ đạt được thành công về mặt thương mại, mặc dù nó đã
làm việc tốt hơn, nhưng do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường
truyền.
 Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ
thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.
 Năm 1950 Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi
quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi bên trong để ánh sáng lan truyền trong lớp này
và lớp vỏ bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm giam ánh sáng ở lõi.

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

 Năm 1958 Charles H.Townes đã phát minh ra laser cho phép tăng cường và tập
trung nguồn sáng để ghép vào sợi.
 Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng
dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao.
 Nghiên cứu hiện đại của thông tin quang bắt đầu từ phát minh của Laser.Năm
1960 Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động làm tăng dung lượng hệ thống
thông tin quang.
 Năm 1966 Kao và Hockham khuyến nghị chế tạo sợi quang có tổn thất thấp.

 Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm
Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh
rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong
thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu. Và họ cho rằng nếu sợi
quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều km.
 Năm 1967: suy hao sợi quang được báo cáo là a ≈ 1000 dB/km, tức là khi truyền
qua 1km chiều dài sợi thì công suất ánh sáng giảm đi 10100 lần.
 Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi chiết suất bậc SI có suy hao a < 20 dB/km ở bước sóng l = 633 nm.
 Năm 1972 loại sợi chiết suất biến đổi - GI được chế tạo với suy hao a ≈ 4 dB/km.
Các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn và tăng dải thông của Laser bán dẫn
phát triển thành công sau năm 1970:
 Sau năm 1970: độ tổn thất của sợi quang giảm đến 0,18 dB/km.
 Năm 1980: A.G.Bell, chế tạo thiết bị quang thoại.
 Năm 1983: sợi đơn mode - SM được sản xuất ở Mỹ.
 Năm 1988: Công ty NEC thiết lập mạng đường dài 10 Gbit/s qua khoảng cách 80
km dùng sợi quang dịch tán sắc và laser hồi tiếp phân bố.
 Ngày nay có thể gửi thông tin cách xa hàng trăm km bằng sợi quang có kích
thước như sợi tóc mà không cần bộ tái tạo.
Xu hướng mới nghiên cứu lĩnh vực photon học có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi
và truyền dẫn thông tin bằng ánh sáng.
Hai thập kỷsau năm 1970 hơn 10 triệu km sợi quang đã được lắp đặt trên toàn thế
giới. Để đạt được điều này, nhiều kĩ sư cũng như các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều
thế hệ các hệ thống truyền dẫn sóng ánh sáng khác nhau. Hình dưới đây mô tả tiến tình
phát triển của bốn thế hệ đầu tiên của hệ thống truyền dẫn ánh sáng dựa trên tham số về
tích Gb/s.km giữa tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn tối đa khi không sử dụng bộ lặp.
Thế hệ truyền dẫn quang đầu tiên hoạt động ở cửa sổ bước sóng 800nm sử dụng sợi quang
đa mode truyền dẫn nên suy hao lớn và tốc độ bit chưa cao.

3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Tiến trình phát triển của các thế hệ đầu tiên

Hình 1-1: Tiến trình phát triển của các thế hệ đầu tiên

Sự dịch chuyển cửa sổ bước sóng hoạt động của hệ thống từ 800nm sang 1300nm
cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Trong thế hệ truyền dẫn quang đầu
tiên, tất cả các ứng dụng đều sử dụng sợi đa mode thì đến năm 1984, sợi đơn mode đã
được thay thế hầu hết trong các đường trung kế cự li dài. Sợi đơn mode có suy hao thấp
hơn và băng thông lớn hơn đáng kể so với sợi đa mode. Tốc độ bit của các tuyến cự li dài
thường vào khoảng 400 đến 600 Mb/s, và trong một số trường hợp hệ thống có thể đạt tới
tốc độ 4 Gb/s qua khoảng cách 40 km. Tuyến truyền dẫn quang vượt biển đầu tiên, TAT-8,
hoạt động ở tốc độ 296 Mb/s sử dụng sợi đơn mode với bước sóng hoạt động 1300nm
được triển vào năm 1988.
Các hệ thống truyền dẫn quang hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1550nm có suy hao
thấp nhất nhưng lại chịu ảnh hưởng của tán sắc lớn hơn so với khi hoạt động ở cửa sổ
1300nm. Từ khi cách tử Bragg sợi quang được sử dụng như là một phương pháp bù tán sắc
trong miền quang, các thế hệ truyền dẫn quang tiếp sau này đã tăng được tốc độ bit và
khoảng cách truyền dẫn một cách vượt bậc. Hệ thống truyền dẫn quang ở bước sóng
1550nm sử dụng cả kỹ thuật tách sóng trực tiếp và tách sóng coherent. Tách sóng coherent
cải thiện đáng kể độ nhạy máy thu và tính chọn lọc bước sóng so với kỹ thuật tách sóng
trực tiếp.
Có thể thấy trong số hàng chục ngàn phát minh và nghiên cứu về sợi quang cũng như
các phần tử trong hệ thống thông tin sợi quang thì bốn phát minh sau đây mang tính bước
ngoặt, đó là:
 Sự phát minh ra LASER vào những năm 60
4

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

 Nghiên cứu ra sợi quang suy hao thấp vào những năm 70
 Sự phát minh ra bộ khuếch đại quang vào những năm 80
 Sự ra đời của cách tử Bragg sợi quang vào những năm 90.
1.1.3. ĐẶC TÍNH CỦA THÔNG TIN QUANG
Hệ thống thông tin quang có một số đặc điểm cơ bản như sau:
 Độ suy hao truyền dẫn thấp
 Băng thông lớn
 Đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ)
 Không có xuyên âm với đường quang bên cạnh
 Không chịu ảnh hưởng can nhiễu của cảm ứng sóng điện từ và xung điện từ
 Giá thành của sợi quang giảm nhanh khi áp dụng công nghệ mới
 Độ an toàn, Độ tin cậy và bảo mật cao
 Tuổi thọ dài và khả năng đề kháng môi trường lớn
 Sợi quang được sử dụng cho các mạng điện thoại, số liệu/máy tính và phát thanh,
truyền hình (dịch vụ băng rộng), thiết bị đo và sẽ được sử dụng cho ISDN
(Integrated Service Digital Network, hay mạng tích hợp dịch vụ kỹ thuật số),
điện lực, y tế, quân sự.
1.2. MÔ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.2.1. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang
Hệ thống thông tin quang khác biệt với hệ thống vi ba ở dải tần số sóng mang. Tần
số sóng mang quang vào khoảng ~200 THz, tần số sóng mang viba cỡ ~1GHz. Do tần số
sóng mang quang cao nên dung lượng của hệ thống thông tin quang có thể tăng tới 10000
lần. Băng tần của tín hiệu được điều chế có thể chiếm tới vài phần trăm của tần số sóng
mang quang.
Giả thiết băng tần của tín hiệu được điều chế chiếm 1% của tần số sóng mang quang
thì dung lượng tối đa mà hệ thống thông tin quang truyền tải được sẽ vào khoảng 1Tb/s.
Các hệ thống thông tin quang hiện nay vẫn chưa tận dụng hết dung lượng của hệ thống,

đây cũng chính là một thách thức đầy hứa hẹn cho những kỹ sư viễn thông tìm hiểu và
nghiên cứu.

Hình 1-2: Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang.

Sơ đồ khối chung của hệ thống thông tin quang gồm bộ phát quang, môi trường
truyền dẫn quang và bộ thu quang.

5


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

 Bộ phát quang: có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín
hiệu quang vào môi trường truyền dẫn quang. Thông thường bộ phát quang bao
gồm nguồn quang, bộ điều chế, và bộ ghép nối với sợi quang.
 Môi trường truyền dẫn: tín hiệu đầu vào sau khi chuyển thành tín hiệu quang sẽ
được truyền trong môi trường này. Quá trình truyền dẫn tín hiệu chịu sự ảnh
hưởng của nhiều yếu tố liên quan tới chất lượng, loại sợi quang như suy hao sợi
quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu...
 Bộ thu quang:có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra của môi
trường truyền dẫn quang thành tín hiệu điện. Bộ thu quang thường gồm có bộ
ghép nối quang, bộ tách sóng quang, và một bộ giải điều chế.
1.2.2. Phân loại hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang nói chung được phân làm hai loại: có dây dẫn và không có
dây dẫn. Đối với các hệ thống thông tin quang không sử dụng dây dẫn, chùm sáng phát ra
từ máy phát được truyền vào không gian, tương tự như truyền sóng vi ba. Tuy nhiên, hệ
thống quang không dây kém phù hợp với các ứng dụng quảng bá hơn so với các hệ thống
vi ba do chùm ánh sáng lan truyền theo hướng thẳng (tương tự như với các sóng ngắn).
Với hệ thống thông tin quang sử dụng dây dẫn, chùm ánh sáng phát ra từ máy phát

được duy trì giới hạn không gian nhờ sợi quang. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử
dụng dây dẫn hiện nay đều sử dụng sợi quang, vì thế các hệ thống này thường được gọi
chung là hệ thống thông tin sợi quang. Trong phạm vi của tài liệu này, chúng ta chỉ tập
trung vào tìm hiểu hệ thống này.
1.2.3. Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang

Hình 1-3: CẤU HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP QUANG
Hệ thống thông tin sợi quang được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng trong viễn thông.

6


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Các hệ thống thông tin sợi quang có khoảng cách truyền dẫn dưới 100km thường
được gọi là các hệ thống thông tin quang cự ly ngắn, với các hệ thống có khoảng cách
truyền dẫn từ 100km trở lên được gọi là các hệ thống thông tin quang đường dài. Hệ thống
viễn thông đường dài đòi hỏi các tuyến trung kế dung lượng lớn và lợi ích cao nhờ sử dụng
hệ thống sợi quang.
Các hệ thống thông tin quang thế hệ sau sẽ có tốc độ bit và khoảng cách truyền dẫn
lớn hơn đáng kể so với các thế hệ trước đó. Khoảng cách giữa các trạm lặp và và tốc độ bit
tăng đáng kể so với hệ thống cáp đồng giúp cho hệ thống thông tin sợi quang rất phù hợp
với các ứng dụng đường dài. Thêm vào đó, với việc sử dụng bộ khuếch đại quang, khoảng
cách giữa các trạm lặp có thể lên tới hàng ngàn ki-lô-mét. Hiện nay, một số lượng lớn các
hệ thống thông tin sợi quang vượt đại dương đã và đang được triển khai để hình thành hệ
thống thông tin quang toàn cầu.
Sơ đồ khối bộ phát quang
Tín hiệu
điện

Tín hiệu quang
đầu ra

Hình 1-4: Sơ đồ khối bộ phát quang

Bộ phát quang là một khối chức năng cơ bản trong hệ thống thông tin quang.
Vai trò chính của bộ phát quang là chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và
đưa tín hiệu quang đó vào trong sợi quang.
Laser bán dẫn hoặc điốt phát quang thường được sử dụng làm nguồn quang.
Tín hiệu quang được tạo ra nhờ điều chế sóng mang quang. Có hai phương thức điều
chế tín hiệu quang, đó là điều chế ngoài và điều chế trực tiếp.
Bộ ghép quang về cơ bản là một vi gương cho phép tập trung tín hiệu quang vào mặt
phẳng tới của sợi quang sao cho có hiệu suất ghép ánh sáng cao nhất.
Công suất ghép quang là một tham số thiết kế quan trọng. Công suất ghép quang lớn
sẽ giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại. Hiệu ứng phi tuyến giới hạn độ
lớn của công suất ghép quang.
Công suất tín hiệu quang thường được biểu diễn theo đơn vị dBm với 1mW được coi
là mức công suất tham chiếu.
𝑃(𝑚𝑊)
𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10𝑙𝑜𝑔10 (
)
1𝑚𝑊
7


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Như vậy, 1 mW tương đương với 0 dBm, và 1µW tương đương với -30 dBm. Điốt
phát quang có công suất ghép quang khá nhỏ (<-10 dBm) trong khi công suất ghép quang
của laser bán dẫn có thể đạt tới ~10 dBm.

Giới hạn tốc độ bit của các bộ phát quang thường do năng lực của mạch điện tử mà
không phải do laser.
Thiết kế phù hợp cho phép bộ phát quang điều chế tại 40 Gb/s.
Vai trò của môi trường truyền dẫn quang là cho phép truyền tín hiệu quang từ bộ
phát quang đến bộ thu quang mà không làm méo tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin
quang sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn bởi vì sợi quang thủy tinh đạt suy hao
khá nhỏ cỡ 0,2 dB/km. Thậm chí, một số loại sợi quang sau này cho phép truyền công suất
ánh sáng với mức giảm 1% qua khoảng cách 100 km. Suy hao sợi quang là một tham số
thiết kế quan trọng và quyết định đến khoảng cách giữa các trạm lặp/ bộ khuếch đại của hệ
thống truyền dẫn quang đường dài.
Một tham số thiết kế quan trọng khác nữa đó là tán sắc sợi. Tán sắc làm giãn rộng
xung quang khi lan truyền. Nếu như xung quang bị giãn rộng vượt khỏi phạm vi của một
chu kì bit thì tín hiệu truyền dẫn bị suy giảm nghiêm trọng. Như vậy, sẽ không thể khôi
phục lại tín hiệu ban đầu với độ chính xác cao. Hiện tượng tán sắc sẽ xảy ra trầm trọng hơn
đối với sợi đa mode, khi đó xung quang bị giãn nhanh hơn (vào khoảng ~10 ns/km) do sự
khác nhau về tốc độ lan truyền ánh sáng tương ứng với các mode khác nhau. Vì thế, hầu
hết tất cả các hệ thống thông tin sợi quang chỉ sử dụng sợi đơn mode. Tán sắc vật liệu (do
sự thay đổi của tần số theo chiết suất gây ra) cũng gây ra hiện tượng giãn xung quang
(khoảng < 1 ns/km) nhưng độ giãn này vẫn chấp nhận được trong hầu hết các ứng dụng
hoặc làm giảm tán sắc nhờ giới hạn độ rộng phổ của nguồn quang.
Bộ thu quang

Tín hiệu quang
đầu vào

Tín hiệu điện
đầu ra

Hình 1-5: Bộ thu quang

Bộ thu quang bao gồm bộ ghép quang, bộ tách sóng quang và bộ giải điều chế.
Hầu hết hệ thống quang dùng phương pháp điều chế và giải điều chế đơn giản (điều
biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM-DD).
Giải điều chế sử dụng mạch quyết định để xác định bit 0 hay bit 1, dựa trên biên độ
của tín hiệu điện.
8


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Độ chính xác của mạch quyết dịnh phụ thuộc vào tỉ số SNR (Signal to Noise Ratio,
hay tỷ lệ tín hiệu nhiễu.) của tín hiệu điện mà bộ tách sóng quang thu được.
Hiệu năng của hệ thống thông tin quang được đặc trưng bởi tỉ số lỗi bit (BER - Bit
Error Rate). Theo định nghĩa, BER cho biết số lượng bit lỗi trung bình xuất hiện trong thời
gian một giây. Tuy nhiên, BER có thể được tính toán qua xác suất quyết định sai bit trung
bình. Vì thế, tỉ số BER là 10-6 có nghĩa là trung bình có 1 bit lỗi trong số 1 triệu bit thu
được. Hầu hết các hệ thống thông tin sợi quang trong điều kiện hoạt động bình thường yêu
cầu tỉ số lỗi bit là 10-9; thậm chí có hệ thống đòi hỏi tỉ số này nhỏ hơn, khoảng 10-14. Sử
dụng mã sửa lỗi cũng sẽ giúp cải thiện tỉ số BER.
Một tham số quan trọng của bất kì bộ thu nào đó là độ nhạy của máy thu. Độ nhạy
máy thu được định nghĩa là công suất quang trung bình tối thiểu để đảm bảo BER của hệ
thống là 10-9. Độ nhạy thu phụ thuộc vào tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm SNR, trong
khi đó tỉ số này lại phụ thuộc vào các nguồn nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu quang thu được.
Yếu tố cơ bản để thiết lập hệ thống truyền dẫn
 Môi trường truyền dẫn
 Phương pháp truyền dẫn
 Phương pháp điều chế/ ghép kênh
Phương pháp điều chế ghép kênh
Phương pháp phân chia theo thời gian (TDM - Time Division Multiplex) được sử
dụng rộng rãi khi ghép kênh các tín hiệu như số liệu, âm thanh điều chế xung mã PCM

(Pulse Code Modulation) (64 kb/s) và số liệu hình ảnh số (video digital).
Phương pháp điều chế theo tần số FDM (Frequency Division Multiplex).
Phương pháp điều chế theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex): điều
chế một số sóng mang quang có các bước sóng khác nhau thành các tín hiệu điện khác
nhau, sau đó có thể truyền chúng qua một sợi cáp quang.
Phương pháp ghép kênh SDM (SubCarrier Division Multiplex): gia tăng số lõi cáp
sau khi ghép kênh PCM, FDM để truyền số lượng dữ liệu lớn.
Hệ thống truyền dẫn quang có thể được thiết lập hỗn hợp từ các loại TDM, FDM,
WDM và SDM.
1.3. TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
1.3.1. Truy nhập mạng quang
Có thể đưa ra một số hình thức truy nhập trong mạng truy nhập sợi quang, để đưa
dịch vụ tới khách hàng, tùy theo đầu cuối khác nhau. FTTx (Fiber To The x) bao gồm các
hệ thống truy nhập khác nhau.
9


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.3.2. Công nghệ AON
Công nghệ AON (Active Optical Network) hay mạng quang tích cực (mạng quang
chủ động) là mạng truy nhập quang phân phối tín hiệu sử dụng cho các thiết bị cần nguồn
cung cấp. Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách
hàng đó do đó dữ liệu của khách hàng sẽ tránh được xung đột khi truyền trên đường vật lý
chung.
1.3.3. Công nghệ PON
Công nghệ mạng quang thụ động (PON - Passive Optical Network) sử dụng kiến trúc
mạng điểm-đa điểm, trong đó có các bộ chia quang thụ động (không có nguồn cung cấp)
để chia công suất quang từ một sợi quang tới các sợi quang cung cấp cho nhiều khách
hàng. Mạng quang thụ động có ba cấu hình cơ bản đó là:

 Cấu hình ring (cấu hình vòng).
 Cấu hình tree (câu hình cây).
 Cấu hình bus (cấu hình trục).
1.3.4. Công nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent)
Công nghệ Coherent hay công nghệ tách sóng tổng hợp được thực hiện như sau:
trước tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo tại chỗ, sau
đó tín hiệu quang tổng hợp này được tách thành tín hiệu điện.
Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầu cao về độ rộng phổ
tín hiệu, độ ổn đình tần số (có thể điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài).
Độ phân cực của ánh sáng được giữ nguyên trạng quá trình truyền.
Trước khi tách sóng ở thiết bị thu, tín hiệu thông tin được trộn với tín hiệu dao động
nội. Như vậy ánh sáng đã được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang.
1.3.5. Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và truyền qua sợi quang
(RoF)
Công nghệ RoF (Radio over Fiber) là công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến và
truyền qua sợi quang. Các tín hiệu tần số vô tuyến (RF - Radio Frequency) được phân phối
từ một trạm đầu cuối tới các khối anten đầu xa (RAU - Remote Antenna Unit) qua đường
truyền sợi quang.

10