GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUANG -ĐIỆN TỬ VÀ THÔNG TIN QUANG SỢI

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

t
t
t
Hình 1.1. Sơ đồ tốc độ lấy mẫu cho tín hiệu số