Nâng cao độ nhạy ở bộ thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------

LÊ DƯƠNG TRẦN

NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HP
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử
Mã số ngành: 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2003


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

***
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 1:

GS. TS. ĐẶNG LƯƠNG MÔ

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. TRẦN XUÂN PHƯỚC

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày 08 tháng 11 năm 2003


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ DƯƠNG TRẦN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04 – 08 – 1978

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử

Mã số ngành: 2.07.01

I.

TÊN ĐỀ TÀI:
NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HP

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
• Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về quang và hệ thống thông tin quang.
• Nghiên cứu và khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp.
• Thực hiện mô phỏng hệ thống thông tin quang với kỹ thuật thu quang trực tiếp và thu quang
kết hợp.
• So sánh, đánh giá chất lượng qua các thông số như BER, độ nhạy, …
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương): 24 – 04 – 2003
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận văn): 08 – 11 – 2003
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

(Ký tên và ghi rõ họ, tên, học hàm và học vị)
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

tháng

năm

KHOA QUẢN LÝ NGAØNH


Lời Cảm Ơn
Em xin chân thành cảm ơn thầy VŨ ĐÌNH THÀNH, người thầy đã tận
tình chỉ bảo và giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất để giúp em hoàn thành luận
văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã dạy dỗ và chỉ bảo em
trong những năm học vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Điện Tử
– Viễn Thông của trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè đã giúp đỡ trong quá trình
thực hiện luận văn.
Cuối cùng, xin gởi lời biết ơn sâu sắc nhất đến cha, mẹ và các người thân
trong gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn
này.


Tóm tắt
Kỹ thuật thu quang kết hợp mang lại nhiều ưu điểm cho các hệ thống thông tin
quang nhờ khả năng kết hợp một tín hiệu dao động nội với tín hiệu mang thông
tin. Sự kết hợp này tạo ra tính ưu việt của hệ thống thông tin quang kết hợp như:
nâng cao độ nhạy và khả năng lựa chọn độ nhạy thu, tín hiệu ra có công suất
lớn, tận dụng được các thành phần của sóng ánh sáng, … so với kỹ thuật thu
quang trực tiếp. Luận án nhằm mục đích khảo sát và chứng minh tính ưu việt của
kỹ thuật thu quang kết hợp so với thu quang trực tiếp qua các thông số đặc tính
của một bộ thu quang như BER, giới hạn lượng tử, độ nhạy, …
Luận án bao gồm 06 chương:
Chương 1:

Tổng quan về thông tin quang.

Chương 2:

Truyền tín hiệu trong sợi quang.

Chương 3:

Hệ thống thông tin quang.

Chương 4:

Thu quang.

Chương 5:

Kỹ thuật thu quang kết hợp.

Chương 6:

Chương trình mô phỏng.


Abstract
Coherent optical receive technology has a lot of advantage to optical
communication systems by combine a local oscillate signal with a information
signal. This combination create preeminent of coherent optical communication
system as: increase sensitivity and choose receive sensitivity, out signal has
large power, use components of the light wave, ect … in comparison with direct
optical receive technology. Thesis in order to survey and demonstrate the

preeminent of coherent optical receive technology against direct optical receive
technology through property parameters of optical receiver as: BER, quantum
limit, sensitivity, …
This thesis contains 06 chapters:
Chapter 1:

Overview ablout optical communication.

Chapter 2:

Transmit signal in optical fiber.

Chapter 3:

Optical communication system.

Chapter 4:

Optical receive.

Chapter 5:

Coherent optical receive technology.

Chapter 6:

Simulation program.


Giới thiệu

Với tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rất rộng, kích cỡ và trọng lượng nhỏ, tính
bảo mật cao, suy hao thấp và ít chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, sợi quang
là một phương tiện truyền dẫn tốt nhất hiện nay. Mặc dù có giá thành cao, kỹ
thuật xử lý khá phức tạp và chưa được sử dụng rộng rãi ở nước ta, sợi quang
đang dần trở thành môi trường truyền dẫn chủ yếu để chuyển tải hầu hết dung
lượng thông tin đường dài trong nước và quốc tế. Mạng viễn thông dựa trên công
nghệ sợi quang đang trở thành hệ thống truyền thông chính, với các tuyến sợi
quang có dung lượng lớn được lắp đặt trên toàn cầu, trên đất liền và cả dưới
biển. Cùng với sự phát triển về hệ thống và công nghệ cáp quang, như tạo ra các
loại laser diode có độ rộng phổ rất hẹp phù hợp với các hệ thống thông tin
quang, cải thiện tính ổn định tần số và công suất phát của laser, tạo ra các thiết
bị quang thụ động với những công nghệ chế tạo tinh vi và độ chính xác cao, …,
việc nghiên cứu, khảo sát để tìm ra các phương pháp, kỹ thuật xử lý và truyền
dẫn tín hiệu bên trong cáp quang với mục đích nâng cao chất lượng, độ tin cậy, …
là vấn đề cần quan tâm. Nắm bắt vấn đề này, tôi thực hiện nghiên cứu đề tài:
“Nâng cao độ nhạy ở bộ thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp”.
Trong luận văn này trình bày về một kỹ thuật xử lý gọi là Kỹ thuật thu quang
kết hợp. Đây là một kỹ thuật mang lại nhiều hiệu quả như tận dụng được băng
tần rất rộng của ánh sáng và sợi quang, truyền được một số lượng lớn kênh,
nâng cao và khả năng lựa chọn độ nhạy thu, … Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn chỉ
được áp dụng trong một vài lónh vực giới hạn, trong phạm vi các phòng nghiên
cứu do các hạn chế về công nghệ và tính kinh tế. Kỹ thuật thu quang kết hợp
vẫn tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện, trong tương lai có thể thay thế các kỹ
thuật đang sử dụng hiện nay.


Luận văn gồm các chương sau:
Chương 1:

Tổng quan về thông tin quang. Chương 1 giới thiệu tổng quan về

quang và hệ thống thông tin quang, cấu tạo cũng như một số các
đặc tính của cáp quang.

Chương 2:

Truyền tín hiệu trong sợi quang. Chương này trình bày một số các
đặc điểm của ánh sáng, các cơ chế xử lý ánh sáng quan trọng trong
một hệ thống thông tin quang và các vấn đề về suy hao và méo tín
hiệu trong sợi quang.

Chương 3:

Hệ thống thông tin quang. Chương 3 liệt kê một số các thành
phần linh kiện quan trọng thường có trong một hệ thống thông tin
quang, vấn đề về ghép công suất quang, điều chế và mã hóa tín
hiệu, …

Chương 4:

Thu quang. Các vấn đề cơ bản và các thông số thể hiện đặc tính
của một bộ thu quang được trình bày trong chương này.

Chương 5:

Kỹ thuật thu quang kết hợp. Chương này là phần chính của luận
văn, tập trung vào phân tích các đặc điểm và tính chất của kỹ thuật
thu quang kết hợp, so sánh, đánh giá kỹ thuật này với kỹ thuật
thường được sử dụng hiện nay là thu quang trực tiếp.

Chương 6:

Chương trình mô phỏng. Đây là phần cuối cùng của luận văn
nhằm mục đích khảo sát và minh họa các vấn đề đã đưa ra trong
các chương trên.

Vì đây là một vấn đề khá mới, tài liệu tham khảo rất hạn chế và thời gian có
hạn, luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ
dẫn của quý thầy cô và các bạn.


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Giới thiệu
Mục lục
Chương 1:

Tổng quan về thông tin quang

1.1. Toång quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Các loại hệ thống thông tin . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Quá trình phát triển các hệ thống thông tin quang. . . . . . . 3
1.1.3. Các ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang. . . . . . . . . . 6
1.1.4. Các phần tử của tuyến truyền dẫn quang. . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Sợi quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1. Cấu tạo sợi quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2. Phân loại sợi quang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.2.3. Suy hao sợi quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4. Tán sắc ánh sáng và băng thông sợi quang . . . . . . . . . . . 16
Chương 2:

Truyền tín hiệu trong sợi quang

2.1. Các đặc điểm của ánh sáng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.2. Khẩu độ soá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Biến đổi điện – quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1. Cơ chế phát xạ ánh sáng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Phát xạ ánh sáng của chất bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.4. Cơ chế thu quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5. Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1. Suy hao tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2. Méo tín hieäu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32


2.6. Tín hiệu và nhiễu quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Chương 3:

Hệ thống thông tin quang

3.1. Các thành phần của hệ thống thông tin quang . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1. Bộ ghép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.2. Bộ cách ly và bộ truyền. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3. Nguồn phát quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.4. Tách sóng quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.5. Bộ khuếch đại quang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.6. Bộ ghép kênh và bộ lọc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.7. Bộ chuyển mạch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
3.1.8. Boä chuyển đổi bước sóng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.2. Gheùp công suất quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
3.3. Điều chế và mã hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1. Điều chế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

3.3.2. Mã hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Chương 4:

Thu quang

4.1. Hoạt động của bộ thu quang cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4.1.1. Cấu hình bộ thu quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2. Truyền dẫn tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.3. Các nguồn gây lỗi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
4.2. Tính toán chất lượng máy thu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1. Xác suất lỗi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4.2.2. Giới hạn lượng tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3. Nhieãu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
4.2.4. Tæ số tín hiệu trên nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83


Chương 5:

Kỹ thuật thu quang kết hợp

5.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2. Thu quang trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3. Thu quang kết hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.1. Tách sóng đồng taàn (homodyne) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.2. Tách sóng sai tần (heterodyne) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4. Các kỹ thuật điều chế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
5.4.1. Tách sóng trực tiếp OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4.2. Taùch sóng đồng tần OOK và PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4.3. Tách sóng sai tần OOK, PSK vaø FSK . . . . . . . . . . . . . . . 101
Chương 6:

Chương trình mô phỏng

6.1. Lý thuyết mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.1. Điều chế ASK (OOK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
6.1.2. Điều chế PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.3. Điều chế FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2. Chương trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
6.3. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Kết luận và hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153


1

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1. Tổng quan
Từ xa xưa con người đã phát minh ra các hệ thống thông tin để truyền các bản
tin từ một nơi này đến một nơi khác. Hình 1.1 chỉ ra các phần tử cơ bản của một
hệ thống thông tin. Hệ thống gồm một nguồn tin tạo ra thông tin đưa tới phần
phát. Phần phát này ghép thông tin vào một kênh truyền dẫn dưới dạng một tín
hiệu phù hợp với các đặc tính truyền của kênh. Kênh truyền dẫn là môi trường
nối giữa phần phát và phần thu, nó có thể là đường truyền có hướng như cáp
đồng hay ống dẫn sóng hoặc có thể là kênh đẳng hướng, kênh không gian. Khi
tín hiệu được truyền trên kênh, nó có thể bị suy hao và bị méo. Chức năng của
máy thu là tách tín hiệu bị suy giảm và bị méo từ kênh truyền, khuếch đại, khôi
phục tín hiệu trở về dạng ban đầu trước khi truyền nó tới đích.
Nguồn

bản tin

Máy phát

Kênh
truyền

Máy thu

Nơi nhận
bản tin

Hình 1.1: Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin
1.1.1. Các loại hệ thống thông tin
Cho tới nay có rất nhiều các loại hình hệ thống thông tin. Động cơ thúc đẩy sự ra
đời của một hệ thống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc
độ truyền dữ liệu để có thể truyền được nhiều thông tin hơn nữa, hoặc tăng
khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lặp. Trước thế kỷ XIX, tất cả các hệ
thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rất thấp và về cơ bản, chỉ dưới dạng ánh
sáng hay âm thanh như đèn tín hiệu hay kèn. Một trong những tuyến truyền dẫn
ánh sáng được biết sớm nhất đó là sử dụng lửa của những người Hy Lạp trong


2

thế kỷ XIII trước Công Nguyên để truyền các tín hiệu báo động, lời cầu cứu hay
các thông báo về một số sự kiện nào đó. Chỉ có một loại tín hiệu được sử dụng
và ý nghóa của nó được qui định trước giữa người gửi và người nhận. Trong thế
kỷ thứ IV trước Công Nguyên, khoảng cách truyền dẫn đã được mở rộng thông
qua việc sử dụng các trạm lặp. Khoảng năm 150 trước Công Nguyên, các tín

hiệu nhìn thấy này được mã hóa theo các ký tự Alphabet để sau đó bất kì một
bản tin nào cũng có thể phát đi được. Những cải tiến cho các hệ thống này đã
không được theo đuổi một cách tích cực vì những hạn chế về công nghệ. Ví dụ:
tốc độ của một tuyến thông tin bị hạn chế bởi vì sử dụng mắt người như một thiết
bị thu, đòi hỏi các tuyến truyền dẫn có tầm nhìn thẳng và các ảnh hưởng của
sương mù, mưa đã làm cho tuyến truyền dẫn trở nên không tin cậy. Do đó việc
gửi các bản tin bằng người đưa thư trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B. Morse đã mở ra một kỷ nguyên thông
tin mới – kỷ nguyên thông tin điện. Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên sử
dụng cáp đồng bắt đầu từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo các công trình
như vậy được xây dựng trên khắp thế giới. Việc sử dụng cáp đồng để truyền dẫn
thông tin đã được mở rộng bằng việc xây dựng tổng đài đầu tiên tại New Haven,
Connecticut vào năm 1878. Cáp đồng là môi trường truyền dẫn thông tin điện
duy nhất trước khi có sự phát hiện của Heinrich Hertz về bức xạ điện từ bước
sóng dài vào năm 1887. Năm 1895, lần đầu tiên Guglielmo Marconi ứng dụng
bức xạ này để truyền tín hiệu vô tuyến.
Trong những năm sau đó, người ta càng ngày càng mở rộng việc sử dụng phổ tần
số điện từ để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Trong các hệ thống điện,
dữ liệu thường được truyền trên các kênh thông tin bằng cách chồng tín hiệu
chứa thông tin lên một sóng điện từ gọi là sóng mang. Tại phía thu, thông tin
được tách ra khỏi sóng mang và được xử lý theo ý muốn. Lượng thông tin cần


3

được truyền liên quan trực tiếp đến dải tần sóng mang hoạt động, việc tăng tần
số sóng mang về mặt lý thuyết sẽ làm tăng độ rộng băng truyền và kết quả là
tạo ra dung lượng thông tin lớn hơn. Do đó, khuynh hướng trong phát triển các hệ
thống thông tin điện là sử dụng các tần số cao dần lên, điều này làm tăng độ
rộng băng và dung lượng thông tin cũng được tăng lên tương ứng dẫn đến sự ra

đời lần lượt của vô tuyến truyền hình, radar và các tuyến vi ba.
1.1.2. Quá trình phát triển các hệ thống thông tin quang
Điều đáng chú ý nhất trong thông tin sợi quang là sự ra đời của nguồn laser vào
năm 1960. Vì các tần số ánh sáng cỡ 5x1014 Hz nên về lý thuyết nguồn laser có
dung lượng thông tin lớn hơn các hệ thống vi ba 105 lần, tương đương bằng 10
triệu kênh TV.
Với khả năng truyền dẫn băng rộng rất lớn như vậy, trong đầu những năm 1960,
người ta đã thực hiện một số các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không
khí để truyền tín hiệu. Các kết quả thử nghiệm này cho thấy việc điều chế một
sóng mang ánh sáng kết hợp tại các tần số rất cao là rất khả thi. Tuy nhiên, chi
phí lắp đặt, giá các thành phần cần thiết rất cao và những hạn chế của kênh
không khí do mưa, sương mù, tuyết và bụi đã khiến cho các hệ thống có tốc độ
rất cao này trở nên kém hấp dẫn về mặt kinh tế so với nhu cầu dung lượng kênh
thông tin lúc đó.
Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì
chúng có thể tạo ra kênh quang tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí. Ban
đầu thì suy hao vô cùng lớn đã khiến chúng dường như trở nên không thực tế.
Điều này đã được thay đổi vào năm 1966 khi Kao, Hockman và Werst gần như
đồng thời phán đoán ra rằng những giá trị suy hao lớn này là kết quả của độ
không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang và cho rằng có thể giảm được những
giá trị suy hao này tới một giá trị mà ở đó các ống dẫn sóng ánh sáng trở thành


4

môi trường truyền dẫn khả thi. Điều này đã trở thành hiện thực vào năm 1970
khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo một sợi Silica có suy hao là 20 dB/km (hệ
số suy hao công suất tín hiệu là 100 lần/km). Tại giá trị suy hao này, khoảng
cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng,
do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật.

Trong hai thập kỷ tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu để làm
giảm giá trị suy hao xuống còn 0,16 dB/km tại bước sóng 1550 nm, một giá trị
gần với giá trị lý thuyết là 0,14 dB/km.
Sự phát triển và ứng dụng của các hệ thống sợi quang đã bùng nổ do sự kết hợp
của công nghệ bán dẫn, công nghệ đã cung cấp các nguồn sáng và các bộ tách
quang cần thiết, và công nghệ ống dẫn sóng quang. Kết quả là tạo ra tuyến
truyền dẫn thông tin có các ưu điểm nổi bật so với các hệ thống cáp đồng truyền
thống:
•

Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn. Sợi quang có các giá trị suy
hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn hơn cáp đồng. Điều này có nghóa là
ta có thể truyền đi nhiều dữ liệu hơn với khoảng cách dài hơn bằng các hệ
thống cáp sợi quang, do đó giảm số lượng cáp và giảm số lượng các bộ lặp
cần thiết, dẫn đến giảm chi phí và tính phức tạp của hệ thống.

•

Kích cỡ và trọng lượng nhỏ. Trọng lượng và kích cỡ nhỏ của sợi quang là một
ưu điểm nổi bật so với cáp kim loại kềnh càng, nặng nề khi lắp đặt trong ống
dẫn cáp ngầm chằng chịt trong thành phố hay trong tủ cáp treo trên tường.
Ưu điểm này cũng rất quan trọng trong lónh vực vũ trụ, vệ tinh, tàu thủy và
trong các ứng dụng chiến thuật quân sự yêu cầu việc lắp đặt và thu hồi một
số lượng cáp lớn trong thời gian ngắn.

•

Chống can nhiễu tốt. Đặc điểm quan trọng nhất này của cáp sợi quang liên
quan đến bản chất điện môi của chúng. Chính bản chất này cho phép các ống

5

dẫn quang có khả năng chống sét và chống can nhiễu điện từ trường cảm ứng
từ các đường dây mang tín hiệu. Đặc tính này cũng đảm bảo cáp quang
không chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng xung, đây là lónh vực được đặc biệt
quan tâm trong các ứng dụng quân sự.
•

Cách điện tốt. Vì cáp quang được chế tạo bằng thủy tinh, là chất cách điện,
nên việc tiếp đất là không cần thiết, xuyên âm sợi sang sợi là rất nhỏ và các
vấn đề liên quan đến giao diện của thiết bị trở nên đơn giản hơn. Điều này
cũng làm cho việc sử dụng cáp quang trở nên hấp dẫn hơn trong môi trường
có điện áp cao vì cáp quang không tạo ra hồ quang và tia lửa.

•

Bảo mật. Sử dụng cáp quang để truyền dẫn sẽ tăng khả năng bảo mật tín
hiệu vì tín hiệu quang được truyền trong ống dẫn (không một bức xạ ánh
sáng nào có thể lọt được ra ngoài vì đều bị hấp thụ bởi lớp vỏ chắn sáng bên
ngoài). Điều này làm cho cáp quang trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng mà
việc bảo mật thông tin là quan trọng, ví dụ như ngân hàng, các mạng máy
tính và các hệ thống quân sự.

•

Nguyên liệu thô sẵn có. Silica là nguyên liệu chính để chế tạo cáp quang.
Nguyên liệu này rất sẵn và rẻ vì nó có trong cát thường. Chi phí sản xuất cáp
quang phát sinh tập trung chủ yếu ở khâu tạo thủy tinh tinh khiết từ nguyên
liệu thô.

Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm nổi trội, hệ thống thông tin quang cũng có
những nhược điểm:
•

Vấn đề biến đổi điện – quang và biến đổi quang – điện. Tín hiệu điện phải
biến đổi thành tín hiệu quang trước khi đưa vào sợi quang để truyền đi. Tại
đầu thu, tín hiệu quang được biến đổi trở về tín hiệu điện tương ứng. Các quá
trình này được thực hiện sử dụng các linh kiện phát – thu quang. Các linh
kiện này được yêu cầu rất khắt khe về độ chính xác, tính ổn định, …. Ngoài ra


6

chi phí của các thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu cần được xem xét trong các
ứng dụng.
•

Đường truyền thẳng. Cáp quang cần có đường truyền thẳng. Với những nơi
có địa hình phức tạp, gồ ghề không bằng phẳng thì việc chạy các đường cáp
quang rất khó khăn và tốn kém. Những nơi như rừng núi hay một số khu vực
đô thị, các phương pháp thông tin vô tuyến có thể thích hợp hơn.

•

Yêu cầu lắp đặt đặc biệt. Do sợi quang chủ yếu làm bằng thủy tinh Silic nên
cần phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây dựng và lắp đặt các tuyến thông
tin quang. Các phương pháp lắp đặt cáp đồng thông thường không còn áp
dụng được nữa. Đồng thời còn phải có các thiết bị thích hợp để kiểm tra đo
thử các sợi quang. Các kỹ thuật viên phải được đào tạo về lắp đặt và triển

khai cáp quang.

•

Vấn đề sửa chữa. Không dễ dàng sửa chữa các đường cáp quang bị hư hỏng.
Các qui trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng
tốt cùng các thiết bị thích hợp. Đôi khi cần phải thay thế toàn bộ cáp bị hỏng.
Khi thiết kế hệ thống cáp quang cần có việc định tuyến linh hoạt phòng bị
cho những tình huống hỏng hóc bất ngờ trên các đường cáp quang.

1.1.3. Các ứng dụng của hệ thống truyền dẫn quang
Những ứng dụng đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn cáp quang chủ yếu là làm
các đường trung kế. Ngoài ra, cáp sợi quang còn được sử dụng rộng rãi trong các
ứng dụng số và tương tự. Một trong các ứng dụng đó là dùng sợi quang trong các
mạch vòng thuê bao (mạng nội hạt phân bố dịch vụ thoại và video). Sợi quang
cho phép truyền cả hai loại hình dịch vụ thông tin băng hẹp và băng rộng như
thoại thông thường, thoại ISDN (Intergrated Service Digital Network: Mạng số
liên kết đa dịch vụ), hội nghị video và truyền số liệu cực nhanh. Một ứng dụng
quan trọng của sợi quang là trong mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN. Mạng


7

ISDN có thể cung cấp các loại hình dịch vụ như: thoại, fax, truyền số liệu,
videotex, đo lường từ xa, thoại video quảng bá. Các tốc độ truyền dẫn từ 1,7
Gbit/s dùng làm đường trung kế thoại, đến 10 Gbit/s dùng trong mạng ISDN
băng siêu rộng.
Đặc tính của các hệ thống sợi quang đã được nhanh chóng cải thiện trong một
thời gian ngắn. Tuy phát triển nhanh chóng và có nhiều ứng dụng thành công
song công nghệ sóng ánh sáng thậm chí vẫn chưa đạt tới mức hoàn thiện.

1.1.4. Các phần tử của tuyến truyền dẫn quang
Mỗi tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm các phần tử như mô tả trong
hình 1.2. Những phần tử chính là:
•

Phần phát: bao gồm một nguồn ánh sáng và mạch điều khiển nguồn sáng,
một ống cáp bảo vệ về cơ lý và môi trường cho các sợi quang.

•

Phần thu: bao gồm một khối tách sóng quang, mạch khôi phục và khuếch đại
tín hiệu.

•

Các phần tử phụ là các bộ kết nối quang, bộ chia, bộ ghép hay tách tia và bộ
lặp.

Sợi quang được bọc cáp bảo vệ là một trong những phần tử quan trọng nhất
trong một tuyến cáp quang. Ngoài việc bảo vệ cho các sợi thủy tinh trong quá
trình lắp đặt và khai thác, ống cáp còn có thể chứa dây dẫn đồng để cấp nguồn
cho các bộ lặp. Khi tuyến cáp quang có khoảng cách truyền dẫn dài thì các bộ
lặp là rất cần thiết, nó khuếch đại và tái tạo lại hình dạng của tín hiệu.
Tương tự như cáp đồng, việc lắp đặt cáp quang có thể là treo, đi trong ống dẫn,
thả dưới biển hay chôn trực tiếp dưới đất. Độ dài sợi cáp sẽ nằm trong khoảng từ
một vài trăm mét đến một vài kilomet đối với những ứng dụng có khoảng cách
truyền dẫn lớn.


8

Máy phát

Tín hiệu điện
đầu vào

Mạch điều
khiển

Tín hiệu điện
Tín hiệu quang
Tín hiệu điện
đầu ra

Khôi phục
tín hiệu

Tới thiết
bị khác

Bộ nối
Nguồn
sáng
Bộ chia quang

Bộ ghép
hoặc chia

Sợi quang

Bộ lặp
Máy thu
quang
Mạch điện

Bộ khuếch đại

Bộ tách
sóng quang

Khuếch
đại
quang

Máy phát
quang

Máy thu

Hình 1.2: Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang
Sau khi tín hiệu quang được phát vào sợi quang, nó sẽ bị suy hao và bị tăng dần
độ méo theo khoảng cách do hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc. Tại máy thu,
tín hiệu sẽ được tách sóng bằng photodiode. Tương tự như nguồn quang, tách
sóng quang cũng là một thiết bị tuân theo luật bình phương vì nó biến đổi trực
tiếp công suất ánh sáng thu được thành dòng điện lối ra. Photodiode PIN (p-i-n
photodiode) và photodiode APD (Avalanche photodiode: photodiode thác) là hai
loại thiết bị tách sóng quang được sử dụng chủ yếu trong các tuyến sợi quang.
Cả hai loại thiết bị này đều có hiệu suất và tốc độ đáp ứng cao. Với các ứng
dụng mà tín hiệu ánh sáng thu được có công suất thấp thì thường sử dụng
photodiode APD vì nó có độ nhạy cao hơn nhờ cơ chế khuếch đại nội (hiệu ứng

thác).
Máy thu luôn phức tạp hơn máy phát vì nó phải vừa khuếch đại vừa tái tạo tín
hiệu bị suy hao mà photodiode thu được. Thông số chính xác định chất lượng
một máy thu là công suất quang cực tiểu cần thiết sao cho ứng với một tốc độ dữ


9

liệu cho trước vẫn đạt được xác suất lỗi yêu cầu của hệ thống số (còn gọi là độ
nhạy của máy thu) hoặc tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhiễu đối với hệ thống tương
tự. Năng lực hoạt động của một máy thu phụ thuộc vào loại photodiode, các tác
động của tạp âm trong hệ thống và các đặc tính của các tầng khuếch đại liên
tiếp trong máy thu.
Khi tín hiệu được truyền trên sợi quang, nó sẽ bị suy hao và méo, ở một mức độ
nào đó thì sẽ cần phải có bộ lặp làm nhiệm vụ khuếch đại và tái tạo tín hiệu.
Một bộ lặp quang bao gồm một máy thu và một máy phát đặt liền kề nhau. Phần
máy thu sẽ tách tín hiệu quang và biến đổi thành tín hiệu điện rồi khuếch đại, tái
tạo hình dạng và truyền đến lối vào của máy thu. Máy thu biến đổi tín hiệu điện
trở lại thành tín hiệu quang và phát vào sợi.
1.2. Sợi quang
1.2.1. Cấu tạo sợi quang
Cấu tạo cơ bản của một sợi quang được trình bày như trong hình 1.3. Sợi quang
có dạng hình trụ dài trong suốt, bao gồm ba lớp: lõi ở giữa truyền tải ánh sáng,
vỏ bao bọc xung quanh phần lõi để giữ ánh sáng chỉ lan truyền trong lõi và lớp
bọc bảo vệ. Lõi và vỏ thường được làm bằng thủy tinh Silic trong khi lớp bọc
bảo vệ ngoài cùng là một vỏ nhựa hay bằng sợi tổng hợp.
Lõi và vỏ khác nhau đôi chút về thành phần cấu tạo do những lượng nhỏ các
nguyên tố Bo hay Ge được thêm vào trong quá trình sản xuất. Việc này làm biến
đổi chiết suất của hai lớp (tức là thay đổi chỉ số khúc xạ) tạo ra những tính chất
giam giữ ánh sáng cần thiết để truyền lan các tia sáng trong sợi quang.

Chiết suất của lõi làm bằng Silica là khoảng 1,5 và của vỏ nhỏ hơn một chút,
khoảng 1,48. Chiết suất của không khí là 1,003. Lớp bọc thường được phủ đơn
sắc sử dụng các mã đơn sắc do nhà sản xuất qui định để dễ phân biệt sợi quang.


10

Các sợi quang cũng có thể làm bằng nhựa hoặc bằng các vật liệu khác. Những
vật liệu này thường rẻ hơn nhưng có suy hao lớn hơn và hạn chế các ứng dụng.
Lớp bọc

Lõi

Vỏ

Mặt cắt ngang

Mặt cắt dọc
Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang

Các sợi quang dùng cho viễn thông được sản xuất ở 5 đường kính lõi và vỏ chủ
yếu sau:
Bảng 1.1: Các đường kính thông dụng của sợi quang và lớp vỏ (μm)
Loại

Lõi

Vỏ

Lớp bọc

Đệm (ống)

I

8 – 10

125

250 hoặc 500

900 hoaëc 2000

II

50

125

250 hoaëc 500

900 hoaëc 2000

III

62,5

125

250 hoaëc 500

900 hoaëc 2000

IV

85

125

250 hoặc 500

900 hoặc 2000

V

100

140

250 hoặc 500

900 hoặc 2000

1.2.2. Phân loại sợi quang
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách, nhưng chủ yếu được phân loại theo
các yếu tố sau:
•

Phân loại theo vật liệu điện môi: gồm có 3 loại, một loại sợi bao gồm phần
lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh và một

11

loại là sợi bằng nhựa. Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh
thạch anh được sử dụng nhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ
suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Loại sợi
bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền cự ly ngắn, khó đi
cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công mặc dù loại
này có đặc tính truyền dẫn kém.
•

Phân loại theo mode lan truyền: sợi quang được chia thành hai nhóm. Một là
sợi quang đơn mode, loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền. Loại sợi thứ
hai là loại đa mode, cho phép nhiều mode lan truyền.

•

Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ: phân thành hai nhóm theo phân bố
chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Loại thứ nhất là sợi quang chiết suất phân bậc, ở
loại sợi này chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ. Loại thứ hai gọi là
sợi quang chiết suất biến đổi, loại này có chiết suất thay đổi một cách từ từ.
Bảng 1.2: Phân loại sợi quang
Sợi quang thạch anh

Phân loại theo vật liệu điện môi

Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa

Phân loại theo mode truyền lan

Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode

Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất bậc
Sợi quang chiết suất biến đổi đều

Trong các hình thức phân loại sợi quang, kiểu phân loại theo mode truyền lan
thường được đề cập đến.
™ Sợi đa mode


12

Sợi đa mode là sợi truyền được nhiều hơn một mode ánh sáng. Số tối đa các
mode ánh sáng (các đường đi của ánh sáng) có thể có trong một sợi quang được
xác định như sau:

(

M = 1 + 2 D n12 − n 22

)

0,5

/λ

(1.1)

trong đó:
M: số các mode trong một lõi sợi
D: đường kính lõi
n1 : chiết suất lõi
n 2 : chiết suất lớp vỏ

λ: bước sóng ánh sáng
Sợi đa mode thường được sử dụng cho những ứng dụng truyền thông khoảng
cách ngắn (thường nhỏ hơn vài km). Các thiết bị đầu cuối không đắt và thường
có thiết kế đơn giản. Đèn LED (Light Emitting Diode: Diode phát quang) thường
được sử dụng làm nguồn sáng. Do lõi của các sợi đa mode có kích thước lớn nên
việc nối dễ dàng hơn và cần những linh kiện có độ chính xác thấp hơn.
Có 2 loại sợi đa mode: sợi chiết suất phân bậc và sợi chiết suất biến đổi đều.
Chúng khác nhau về tương quan chiết suất giữa lõi và lớp vỏ.
ƒ

Sợi chiết suất phân bậc

Sợi chiết suất phân bậc là sợi quang mà lõi và lớp vỏ có chiết suất khác nhau
nhưng đồng nhất. Tại mặt phân cách lõi – vỏ có sự thay đổi đột ngột về chiết
suất. Việc giữ ánh sáng trong bất kì sợi chiết suất bậc nào là do tính chất phản
xạ tại mặt phân cách lõi – vỏ. Đó là do sự khác biệt về chiết suất của hai vật
liệu (môi trường). Các tia sáng bị phản xạ tại mặt phân cách và truyền lan dọc
theo sợi quang.


13

Các tia sáng truyền theo nhiều đường khác nhau trong lõi sợi quang. Do khoảng

cách mỗi tia phải đi qua là khác nhau, nên chúng đến đích vào các thời điểm
khác nhau. Điều này dẫn đến sự dãn xung truyền dẫn theo thời gian. Sự méo tín
hiệu do dãn xung được gọi là sự tán xạ đa mode hay tán xạ mode. Sự dãn xung
hạn chế tốc độ truyền dẫn số liệu vì tốc độ dữ liệu tỉ lệ nghịch với độ rộng xung.
ƒ

Sợi chiết suất biến đổi đều

Chiết suất của lõi sợi quang biến đổi đều giảm dần từ tâm ra. Chiết suất của vỏ
là đồng nhất. Sợi chiết suất biến đổi đều uốn cong các tia sáng thành những
đường dạng sóng do chiết suất không đồng nhất của lõi. Vùng ngoài của lõi có
chiết suất nhỏ hơn chiết suất tại tâm. nh sáng truyền nhanh hơn trong môi
trường có chiết suất thấp hơn. Các tia sáng đi qua khoảng cách dài hơn ở vùng
ngoài lõi, cần nhiều thời gian hơn để đi đến đầu kia của sợi quang. Tuy nhiên do
ánh sáng truyền ở vùng ngoài của lõi nhanh hơn tại tâm lõi, tức là tốc độ truyền
cao hơn nên bù được phần nào cho thời gian lâu hơn để vượt qua khoảng cách
dài hơn. Điều này làm giảm lượng dãn xung giữa các tia ở tâm và ở vùng phía
ngoài của lõi, do đó làm giảm sự tán xạ mode. Sợi chiết suất biến đổi đều có
băng thông truyền dẫn số cao hơn sợi chiết suất phân bậc.
™ Sợi đơn mode
Sợi đơn mode là sợi quang chỉ truyền lan một mode ánh sáng (một đường đi của
tia sáng ở tâm sợi quang). Loại sợi này có được là nhờ giảm đường kính lõi đến
một kích thước mà nó sẽ chỉ cho phép một mode ánh sáng truyền lan. Lõi của
sợi đơn mode có đường kính từ 8 – 10 μm.
Do lõi có kích thước rất bé nên khó đưa ánh sáng vào sợi quang. Một laser bán
dẫn thường được sử dụng để đưa ánh sáng vào sợi. Phải sử dụng những linh kiện
chính xác hơn cho truyền daãn.


14

Do chỉ có một mode được truyền lan trong sợi quang nên sự dãn xung do tán xạ
mode bị loại trừ. Điều này cho phép truyền dẫn số liệu với tốc độ cao hơn nhiều
qua những khoảng cách lớn. Các sợi đơn mode ngày nay thường truyền số liệu
có tốc độ trên 2 Gbit/s. Các công ty điện thoại sử dụng công nghệ này để truyền
tín hiệu qua những khoảng cách lớn.
1.2.3. Suy hao sợi quang
nh sáng truyền trong sợi quang bị suy hao công suất theo độ dài đường truyền,
phụ thuộc độ dài bước sóng và môi trường lan truyền. nh sáng được sử dụng
trong các hệ thống thông tin quang hiện nay nằm trong vùng hồng ngoại, có
bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm. Đặc tuyến suy hao ánh sáng trong sợi thủy
tinh Silic như hình 1.4.
Suy hao (dB/km)
Các cửa sổ hoạt động

6
5
4
3
2
1

700

800

900

1000 1100 1200 1300

1400 1500 1600 Bước sóng λ (nm)

Hình 1.4: Đặc tuyến suy hao sợi quang theo bước sóng
Trên đặc tuyến có ba vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao là thấp nhất, nên
ánh sáng có bước sóng nằm trong ba vùng này thường được chọn để truyền tín