Thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang vinh dùng luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng đại học vinh
Khoa in T Vin Thụng

=== ===

ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN
THÔNG TIN QUANG - DÙNG

GV híng dÉn: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa
SV thùc hiƯn: Nguyễn Chí Dũng
Líp:
47K - §TVT

Vinh – 2011 2011

Mục lụcc lục lụcc

Tóm tắt đồ án.....................................................................................................5
Danh sách hình vẽ.............................................................................................6
Danh sách bảng biểu.........................................................................................7
Thuật ngữ viết tắt..............................................................................................8
Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang........................................10


1.1 Khái niệm..............................................................................................10
1.2 Lịch sử phát triển...................................................................................11
1.3 Cấu hình của hệ thống thông tin quang.................................................13

1.4 Phân loại hệ thống.................................................................................15
1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang......................................15
1.5.1 Ưu điểm..........................................................................................15
1.5.2 Nhược điểm....................................................................................16
1.6 Ứng dụng và xu thế phát triển...............................................................17
Chương 2. Sợi quang và cáp sợi quang...........................................................18
2.1 Sợi quang...............................................................................................18
2.1.1 Cấu tạo............................................................................................18
2.1.2 Phân loại.........................................................................................19
2.1.3 Nguyên lý truyền sáng trong sợi quang..........................................27
2.1.4 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.................................................32
2.2 Cáp sợi quang........................................................................................38
2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật.............................................................................38
2.2.2 Cấu trúc cáp quang.........................................................................39
2.2.3 Phân loại và ứng dụng....................................................................41
Chương 3. Các linh kiện biến đổi quang điện.................................................44
3.1 Các nguyên lý biến đổi quang điện.......................................................44
3.2 Thiết bị phát quang................................................................................45
3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật.............................................................................46
3.2.2 Diode phát quang LED...................................................................47
3.2.3 Laser diode LD...............................................................................50
3.3 Thiết bị thu quang.................................................................................52
3.3.1 Photodiode PIN..............................................................................52
3.3.2 Photodiode thác APD.....................................................................53
3.3.3 Đặc tính kỹ thuật của Photodiode..................................................54


Chương 4. Một số thiết bị quang trên thị trường.............................................57
4.1 Các khuyến nghị ITU............................................................................57
4.2 Cáp sợi quang........................................................................................59

4.2.1 Cáp Vcom FTTH SMF...................................................................59
4.2.2 Cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm............................................................60
4.3 Thiết bị thu phát quang..........................................................................62
4.3.1 Fujitsu FLX 150/600......................................................................62
4.3.2 Fujitsu FLX 600A (VFT)...............................................................63
4.3.3 Fujitsu Flashwave 4270..................................................................63
Chương 5. Thiết kế tuyến cáp quang Vinh – Dùng dung lượng yêu cầu
622Mbp/s (STM-4).........................................................................................65
5.1 Chọn tuyến............................................................................................65
5.2 Chọn bước sóng làm việc......................................................................65
5.3 Chọn cáp................................................................................................65
5.4 Chọn thiết bị..........................................................................................65
5.5 Tính tốn thiết kế tuyến.........................................................................66
5.5.1 Yêu cầu về quỹ thời gian lên..........................................................67
5.5.2 Yêu cầu về quỹ cơng suất...............................................................68
Chương 6. Chương trình hỗ trợ thiết kế tuyến thơng tin quang......................70
6.1 Lưu đồ thuật tốn..................................................................................70
6.2 Thiết kế giao diện chương trình............................................................71
6.3 Kết quả..................................................................................................72
Kết luận...........................................................................................................74


Lời nói đầu
Hệ thống thơng tin bằng cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ
thuật và công nghệ tiên tiến nhất, nó cho phép tạo ra các tuyến truyền dẫn dài
và dung lượng rất lớn có chất lượng cao. Ngồi ra, hệ thống thơng tin quang
cịn chứa những ưu điểm vượt trội hơn mà không một hệ thống nào sánh
được, chính vì lẽ đó mà ngày nay thơng tin quang đã trở thành tuyến truyền
dẫn trọng yếu nhất trên mạng lưới viễn thông.

Hiểu được điều này nên khi nhận đồ án tốt nghiệp, tôi đã lựa chọn đề
tài “Thiết kế tuyến truyền dẫn thơng tin quang Vinh – Dùng” với mục đích là
để tìm hiểu về hệ thống thơng tin quang được sâu hơn nữa.
Do thời gian có hạn và những vấn đề về thông tin quang lại rất sâu,
rộng nên tập đồ án này khơng thể tránh được những sai sót nhất định. Kính
mong được sự chỉ bảo của thầy cơ cũng như sự góp ý chân tình của các bạn.
Trong q trình thực hiện đề tài, tơi đã được gia đình, bạn bè, người
thân động viên và khích lệ. Nhân đây tơi có lời cảm ơn tới mọi người và đặc
biệt là TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Người đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn
tơi hồn thành đề tài này.
Vinh, 16/05/2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Chí Dũng


Tóm tắt đồ án
Để đáp ứng nhu cầu truyền tải do bùng nổ thông tin hiện nay, mạng
truyền dẫn cần phải phát triển cả về quy mô lẫn công nghệ và cấu trúc mạng.
Do vậy, để xây dựng được các hệ thống thơng tin quang chúng ta cần phải tìm
hiểu đầy đủ về hệ thống thơng tin này. Chính vì thế mà cuốn đồ án này được
chia thành năm chương với ba chương đầu là cơ sở lý thuyết, cụ thể các
chương có nội dung như sau:
Chương một trình bày một cách tổng quan về hệ thống, đưa ra khái
niệm, q trình phát triển của lĩnh vực thơng tin quang, mơ hình cấu trúc và
nêu rõ ưu – nhược điểm của hệ thống, giúp cho chúng ta có cách nhìn sơ lược
và tổng quát nhất.
Chương hai trình bày về sợi quang và cáp sợi quang. Qua chương
này, chúng ta sẽ biết được thành phần, cấu tạo của sợi và cáp sợi quang.
Ngồi ra, nó cịn đi sâu vào ngun lý truyền dẫn sáng của sợi quang – yếu tố

quan trọng nhất để hình thành hệ thống truyền dẫn quang.
Chương ba trình bày về các linh kiện biến đổi quang điện. Từ đây
chúng ta có thể nắm bắt được cấu trúc, nguyên lý cũng như các đặc tính của
thiết bị phát và thu quang.
Chương bốn

tìm hiểu về một số thiết bị quang trên thị trường.

Chương này trình bày về đặc tính và thông số kỹ thuật của một số loại thiết
bị, giúp cho người kỹ sư có thể lựa chọn để thực hiện cho công việc thiết kế.
Chương năm cũng là chương chủ đề của đồ án, chương này trình bày
các bước thiết kế và nội dung chủ đạo là thiết kế tuyến truyền dẫn quang Vinh
– Dùng.
Chương sáu trình bày về cơng cụ hỗ trợ cho việc tính tốn để thiết kế
tuyến truyền dẫn thông tin quang do tác giả tự biên soạn.


Danh sách hình vẽ
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thơng tin quang
Hình 2.1. Cấu trúc sợi quang sử dụng trong viễn thơng
Hình 2.2. Dạng phân bố chiết suất trong lõi sợi SI
Hình 2.3. Dạng phân bố chiết trong lõi sợi GI
Hình 2.4. Mặt cắt sợi đa mode chiết suất gradient
Hình 2.5. Mặt cắt sợi đa mode chiết suất bậc
Hình 2.6. Mặt cắt sợi đơn mode chiết suất bậc
Hình 2.7. Hiện tượng phản xạ ánh sáng
Hình 2.8. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Hình 2.9. Hiện tượng phản xạ tồn phần
Hình 2.10. Truyền sáng trong lõi sợi MM-SI
Hình 2.11. Truyền sáng trong lõi sợi MM-GI

Hình 2.12. Cấu trúc cổ điển của cáp sợi quang
Hình 2.13. Sự sắp đặt khác nhau các thành phần gia cường trong cáp
Hình 3.1. Các hiện tượng biến đổi quang điện
Hình 3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
Hình 3.3. Cấu tạo của khoang cộng hưởng
Hình 3.4. Sơ đồ vùng năng lượng của PIN
Hình 3.5. Cấu trúc APD
Hình 6.1. Lưu đồ thuật tốn
Hình 6.2. Giao diện chính của chương trình
Hình 6.3. Giao diện phần tính tốn theo quỹ cơng suất
Hình 6.4. Giao diện phần tính tốn theo quỹ thời gian lên
Hình 6.5. Kết quả khi chạy chương trình cho tuyến Vinh - Dùng

11
19
21
22
26
26
27
28
28
29
31
32
39
40
44
47
51

53
54
70
71
71
72
73


Danh sách bảng biểu
Bảng 2.1. Phân loại sợi dẫn quang
Bảng 3.1. Các tham số của LED
Bảng 3.2. Các đặc tính của ELED tiêu biểu
Bảng 3.3. Đặc tính độ nhạy của Photodiode
Bảng 3.4. Đặc tính kỹ thuật của Photodiode
Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ bản của G.651.1 (07/2007)
Bảng 4.2. Các chỉ tiêu cơ bản của G.652.A (11/2009)
Bảng 4.3. Thông số kỹ thuật của cáp Vcom FTTH
Bảng 4.4. Đặc tính kỹ thuật của cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm
Bảng 4.5. Thông số truyền dẫn của cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm
Bảng 4.6. Các thông số kỹ thuật của thiết bị FLX 600A
Bảng 5.1. Tóm tắt các tham số trong tuyến

20
49
49
55
55
58
59

60
61
61
63
66


Thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APD

Avalanche photodiode

Diode tách sóng thác

BER

Bit error rate

Tỷ lệ lỗi bit

DWDM

Dense WDM

WDM mật độ (cao, dày đặc)

EDFA

Erbium doped fiber amplifier

Khuếch đại quang sợi có pha
tạp erbium

ELED

Edge emitting LED

LED phát cạnh

FTTH

Fiber to the home

Sợi quang tới tận nhà

GVD

Group velocity dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

GI

Gradient index

Chỉ số biến đổi liên tục

IM-DD

Intensity modulation – direct

Điều biến cường độ - tách

detection

sóng trực tiếp

LAN

Local area network

Mạng nội bộ

LASER

Light amplication by

Khuếch đại ánh sáng bởi kích

stimulate emission of

thích phát ra bức xạ

radiation

LD

Laser diode

Diode laser

LED

Light emitting diode

Diode phát quang

MM

Multimode

Đa mode

OADM

Optical add/drop multiplexer

Bộ ghép kênh xen rẽ quang

OTN

Optical transport network

Mạng truyền dẫn quang

PCS

Plastic clad silica

Sợi thủy tinh vỏ chất dẻo

PDH

Plesiochronous digital

Phân cấp số cận đồng bộ

hierarchy
SDH

Synchronous digital hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SI

Step index

Chỉ số bậc

SLA

Semiconductor laser

Bộ khuếch đại laser bán dẫn

amplifier

SM

Single mode

Đơn mode

STM

Synchronous transport

Mô-đun chuyển tải đồng bộ

module
WDM

Wavelength division
multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng


Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thơng,
truyền số liệu, truyền hình cáp… Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời
và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin
quang, các ưu – nhược điểm của cáp sợi quang và các lĩnh vực ứng dụng công
nghệ thông tin sợi quang.
1.1 Khái niệm

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài
trăm mét tới hàng trăm kilomet và thậm chí là vượt đại dương. Thơng tin có
thể được truyền thơng qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau từ vài
MHz cho tới hàng trăm THz. Thơng tin quang là hình thức thơng tin sử dụng
tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng
điện từ. Hệ thống thơng tin quang sợi là hệ thống thơng tin bằng sóng ánh
sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin [1].
Có hai loại hình thức chính là thơng tin quang vô tuyến và thông tin
quang hữu tuyến.
Thông tin quang vơ tuyến là hình thức truyền thơng tin bằng ánh sáng
trong mơi trường truyền dẫn là khơng gian khí quyển trái đất hoặc trong vũ
trụ, sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tin. Hình thức thơng tin quang này
là dạng truyền thống được con người sử dụng từ rất sớm và hiện vẫn đang
được dùng trong một số trường hợp nhất định. Ví dụ như: dùng pháo hiệu, cờ
hiệu, đèn biển, đốt lửa… Hình thức này có nhược điểm là cự ly bị giới hạn do
tầm nhìn của mắt người, ảnh hưởng lớn của thời tiết và khí hậu, phụ thuộc lớn
vào mơi trường truyền dẫn là khí quyển trái đất.
Thông tin quang hữu tuyến là dạng thông tin sử dụng môi trường
truyền dẫn là sợi quang và dùng ánh sáng hồng ngoại có dải sóng λ = 0,8 μmm


÷ λ = 1,6 μmm. Đây là hình thức thơng tin quang mới xuất hiện nhưng có nhiều
ưu việt nên phát triển nhanh và được ứng dụng rộng rãi. Hiện thông tin quang
sợi đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu của hệ thống viễn thông
trên thế giới và trong nước ta.
1.2 Lịch sử phát triển
Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát
triển của lồi người khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra
dấu. Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời,

lửa và khói để làm thơng tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã
qua những bước phát triển và hồn thiện, ta có thể tóm tắt lịch sử phát triển
của nó bằng những mốc chính sau đây [2]:
- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ đã phát minh ra một
hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống Photophone. Ơng 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 sẽ biến đổi thơng điệp thành dòng điện.
- 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.
- Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger
Kapany đã phát triển sợi quang có 2 lớp, bao gồm lớp lõi và lớp bọc.
- Năm 1960: phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được
là laser bán dẫn và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồn
nuôi thấp, công suất và dải sóng đáp ứng và phù hợp làm nguồn phát ánh sáng
cho thông tin quang sợi.
- Năm 1967: sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn: α =1000 dB/km.
- Năm 1970: hãng Corming Glass works (Mỹ) sản xuất thành công sợi
quang thạch anh có tiêu hao đạt α = 20 dB/km ở bước sóng λ = 633 nm


(tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục). Mở ra khả năng dùng sợi
quang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.
- Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α = 4dB/km.
- Từ năm 1979 đã sản suất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt
α = 0,2 dB/km, cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ, giá
trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm.
- Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn các hệ thống thơng tin quang có tốc độ
bit 34-45Mbit/s hoạt động gần bước sóng 850nm, sử dụng laser bán dẫn GaAs

và cho phép khoảng lặp là 10km. Giai đoạn này được thể hiện trong 2 khuyến
nghị G.651 (đặc tính của sợi quang đa mode hoạt động tại 850nm) và G.956
(bây giờ là G.955) (đặc tính của các hệ thống thơng tin quang hoạt động tại
850nm và phù hợp cho các tốc độ bit PDH (Plesiochronous Digital
Hierarchy).
- Giai đoạn thứ hai, bắt đầu từ đầu những năm 1980, là giai đoạn phát
triển các hệ thống hoạt động gần 1300nm, suy hao sợi lúc này khoảng dưới
1dB/km, tán sắc sợi cũng được giảm thiểu. Giai đoạn này được thể hiện trong
một số khuyến nghị, như G.652 (đặc tính của sợi quang đơn mode hoạt động
tại 1300 nm), G.957 (đặc tính của hệ thống hoạt động tại 1300 nm và phù hợp
cho truyền dẫn các tốc độ bit SDH với tốc độ tới STM-16. Hơn nữa, phần viết
chính của khuyến nghị G.956 (hiện nay là G.955) đã mở rộng cho cả các hệ
thống PDH hoạt động tại 1300 nm.
- Giai đoạn thứ ba là giai đoạn phát triển của các hệ thống hoạt động
gần và tại bước sóng 1550nm trên sợi đơn mode. Một số khuyến nghị đáng
chú ý trong giai đoạn này là G.653 (đặc tính của sợi đơn mode tán sắc dịch
chuyển), G.974 (đặc tính của hệ thống cáp quang biển), các khuyến nghị
G.652, G.955 (G.956 cũ) và G.957 được mở rộng cho các hệ thống hoạt
động ở 1550 nm.
- Giai đoạn thứ tư là giai đoạn ứng dụng khuếch đại quang để tăng
khoảng lặp và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng nhằm tăng dung lượng hệ


thống, với các khuyến nghị G.655 (đặc tính của sợi đơn mode tán sắc dịch
chuyển không bằng 0), G.694.1 và G.694.2 (các dải phổ cho các ứng
dụng DWDM và CWDM), G.959.1, G.698.1, G.698.2, G.696.1, G.973,
G.977, G.695.
- Giai đoạn thứ năm là giai đoạn phát triển gần đây với một số đặc điểm
về định hướng phát triển như sau: tăng dung lượng truyền trên một sợi quang,
giảm số bộ biến đổi OEO trong mạng truyền tải quang (OTN - Optical

Transport Network), sử dụng nhiều trạm lặp OEO (Optical-electric-optical)
thay cho một bộ khuếch đại quang vì lý do chi phí (hướng này thay cho
hướng thứ 2). Để thể hiện những hướng phát triển này, một số khuyến nghị đã
ra đời, như ITU-T G.656 (sợi có tán sắc khác khơng sử dụng cho mạng truyền
tải quang băng rộng)- mở rộng của G.959.1 cho các hệ thống 40 Gbit/s, G.680
(cho phép khai thác các bộ OADM và PXC của nhiều nhà cung cấp và tích
hợp chúng trong một AON mà khơng cần dùng các bộ biến đổi OEO có chi
phí lớn [3].
Từ nay khi nói đến từ “thơng tin quang” chúng ta ngầm hiểu là thơng
tin quang sợi.
1.3 Cấu hình của hệ thống thơng tin quang
Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang sợi điển hình có dạng như
Hình 1.1.
Trạm
lặp

Thiết bị
phát quang
Sợi
quang

Thiết bị
thu quang
Sợi
quang

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thơng tin quang

Hệ thống bao gồm bốn khối chính là: khối thiết bị phát quang, khối
thiết bị thu quang, sợi truyền dẫn quang và trạm lặp.

- Khối thiết bị phát quang: có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu dạng điện đầu
vào thành tín hiệu quang để phát vào sợi quang. Ở đây tín hiệu điện vào được
xử lý như ghép kênh điện, mã hóa và điều chế tín hiệu quang. Phần tử quan
trọng nhất của thiết bị đầu cuối phát quang là bộ phát quang hay là bộ biến
đổi điện-quang E/O. Nó là các diode phát xạ ánh sáng LED hay là diode laser
bán dẫn LD.
- Khối thiết bị đầu cuối thu quang: có nhiệm vụ thu tín hiệu ánh sáng từ
sợi quang biến trở lại thành tín hiệu dạng điện để đưa đến các thuê bao sử
dụng. Tại đây, tín hiệu điện sau tách sóng quang lại được giải mã và giải ghép
kênh trở về dạng tín hiệu giống như ở lối vào. Phần tử quan trọng nhất của
khối này là bộ thu quang hay là bộ biến đổi quang-điện O/E. Đó là các
photodiode PIN hay thác APD.
- Sợi quang: là môi trường truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ đầu phát đến
đầu thu. Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao
hoặc từ chất dẻo có dạng trụ trịn.
- Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, cơng suất tín hiệu quang bị suy
yếu dần. Nếu cự ly q dài thì tín hiệu quang này có thể khơng đến được đầu
thu hoặc đến được đầu thu nhưng với cơng suất q thấp thì cũng coi như
khơng thể nhận được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp. Có hai dạng trạm lặp
là: trạm lặp dạng điện quang và trạm lặp dạng khuếch đại quang.
+ Trạm lặp dạng điện quang làm việc theo nguyên tắc: đầu tiên tín hiệu
quang qua bộ biến đổi quang điện O/E chuyển thành tín hiệu điện, rồi được
bộ sửa dạng và khuếch đại đến mức đủ lớn, cuối cùng đưa qua bộ biến đổi
điện quang E/O để phát ánh sáng đã được điều chế vào sợi quang. Đây là
trạm lặp dạng có sự tái sinh tín hiệu.
+ Trạm lặp dạng khuếch đại quang dùng bộ khuếch đại quang để
khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng đã bị suy hao khi truyền trên đoạn dài
sợi quang. Trong trạm lặp này khơng có q trình biến đổi điện-quang. Các

bộ khuếch đại quang được đưa vào sử dụng trong thông tin quang từ năm


1990 và hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong cơng nghệ thơng tin quang
đa kênh WDM. Có hai dạng bộ lặp khuếch đại quang là bộ khuếch đại quang
loại laser bán dẫn SLA và bộ khuếch đại quang sợi. Bộ khuếch đại quang
dùng trong trạm lặp của tuyến thông tin quang thường là dạng bộ khuếch đại
quang sợi trộn chất đất hiếm Erbi (EDFA) và bộ khuếch đại quang sợi hiệu
ứng phát xạ kích thích Ratman (RA).
1.4 Phân loại hệ thống
- Dựa theo tín hiệu truyền dẫn: có hệ thống thông tin quang tương tự và
hệ thống thông tin quang số. Thông tin quang số được ứng dụng phổ biến cho
các dạng audio, video, data cịn thơng tin quang tương tự được sử dụng trong
truyền hình cáp.
- Dựa theo phương pháp điều chế và giải điều chế: có hệ thống thơng
tin quang điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM/DD) và hệ thống thông
tin quang kết hợp (Coherent).
- Dựa theo tốc độ và cự ly truyền dẫn: có hệ thống đường trục
(Backborn) hay đường dài (long-haul) có tốc độ và dung lượng bit rất lớn và
cự ly cực dài, hệ thống vùng hay liên đài có tốc độ bit và cự ly trung bình cịn
hệ thống nội hạt hay thuê bao có tốc độ bit thấp và cự ly gần.
1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang
1.5.1 Ưu điểm
- Suy hao truyền dẫn của sợi quang thấp, hiện nay cỡ từ 0,2 ÷ 0,5
dB/km, cịn cáp đồng trục là cỡ 20 dB/km. Suy hao thấp nên cho phép khoảng
cách truyền dài hơn, đối với cáp đồng được khuyến cáo là 100m thì đối với
cáp quang khoảng cách đó là 2000m.
- Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của
tín hiệu, điều này đồng nghĩa với việc khi truyền dữ liệu có tốc độ càng cao
thì khoảng cách truyền càng giảm cịn cáp quang thì suy hao khơng thay đổi

theo tần số của tín hiệu [2].
- Băng thơng rộng, độ rộng băng của cáp đồng trục cỡ vài chục đến
trăm MHz, trong khi đó của sợi quang lên đến hàng THz (10 12Hz). Do đó
thơng tin quang có thể truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao, dung lượng lớn trên
cự ly dài.
- Kích thước và trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn nhiều so với cáp
đồng trục. Điều này thuận tiện cho triển khai lắp đặt tuyến và tiết kiệm giá
thành thi cơng.
- Chống can nhiễu tốt vì sợi quang làm việc với tín hiệu ánh sáng,
khơng bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, có khả năng chống sét.
- Sợi quang được chế tạo từ các vật liệu điện mơi nên nó khơng dẫn
điện và có độ cách điện tốt; khơng cần thiết phải tiếp đất; ít bị ảnh hưởng của
nhiễu xun âm vì thế nó có tính an tồn về điện và có thể triển khai lắp đặt
trên đường dây cao áp.
- Tín hiệu ánh sáng truyền trên sợi quang khơng bị rị rỉ ra ngồi vì có
lớp vỏ hấp thụ hết, nên có tính bảo mật thông tin.
- Cáp sợi quang được sản xuất từ vật liệu phi kim loại, sẵn có trong tự
nhiên và giá rẻ nên tiết kiệm được các nguồn nguyên vật liệu đắt khác như
đồng và nhôm.
1.5.2 Nhược điểm
- Công nghệ chế tạo sợi quang và các linh kiện thu phát rất hiện đại nên
giá thành còn cao, tuy nhiên khi khối lượng sản xuất ngày càng lớn, theo thời
gian và do tiến bộ của cơng nghệ thì giá thành của cáp và các linh kiện hệ
thống sẽ giảm dần.
- Sợi quang có kích thước nhỏ nên việc đấu nối địi hỏi phải có kỹ thuật
cao của kỹ thuật viên và thiết bị đi kèm.
- Sợi quang được làm bằng thủy tinh nên dòn và dễ gãy.

- Vì hiện nay chưa có phương tiện nào để phát hiện mảnh thủy tinh nhỏ
nằm trong cơ thể nên khi hàn nối sợi quang cần phải tránh mảnh thủy tinh
đâm vào. Ngồi ra mắt người khơng cảm nhận được ánh sáng hồng ngồi nên
khơng điều tiết được, gây nguy hại cho mắt khi nguồn năng lượng này chiếu
trực tiếp vào. Vì thế, vấn đề về an tồn lao động là một vấn đề đáng quan tâm
[2].
1.6 Ứng dụng và xu thế phát triển
Hệ thống thông tin quang hiện nay được sử dụng cho nhiều ứng dụng
khác nhau. Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp
quang để truyền thông giữa các tổng đài, qua thành phố, qua các nước khác
nhau và qua những tuyến dài trên biển. Hiện nay, ở một số nước đã có kế
hoạch mở rộng cáp quang đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ video
chất lượng cao.
Các công ty truyền hình cáp cũng đang triển khai các đường cáp quang
ngồi thành phố. Trong tương lai cáp quang có thể nối trực tiếp đến các hộ gia
đình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho người sử dụng. Những dịch vụ dựa trên
mạng quang như truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm
việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã được đưa vào kế hoạch sử dụng
trong tương lai.
Với các ưu điểm của sợi quang, nhiều trung tâm máy tính cũng đã sử
dụng để cung cấp các đường truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN [4].


Chương 2. Sợi quang và cáp sợi quang
Trong mạng thông tin quang thì mơi trường truyền dẫn là sợi quang cho
nên sợi quang và cáp sợi quang đóng vai trị hết sức quan trọng. Đặc tính của
chúng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Vì vậy ta cần phải
nghiên cứu kỹ lưỡng về cấu tạo, tính chất và các thông số của sợi quang để
lựa chọn, thiết kế, xây dựng và bảo dưỡng tuyến thông tin cáp sợi quang theo

các tiêu chuẩn và yêu cầu đặt ra.
2.1 Sợi quang
Sợi quang, hay còn gọi là sợi dẫn quang – là thành phần chính của cáp
có chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng và vì thế, khi mơ tả môi trường truyền
dẫn quang của hệ thống thông tin quang thì chỉ cần diễn giải trên sợi quang là
đủ.
2.1.1 Cấu tạo
Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số
quang, như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn sóng
ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó. Để đảm bảo được
sự lan truyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm có một lõi
hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n 1 lớn và bao quanh
lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n 2 < n1. Vỏ là
môi trường tạo ra ranh giới với lõi, ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài,
tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi [1].
Vật liệu cơ bản để chế tạo lõi và vỏ là Silica (SiO 2). Thường dùng
Germani dioxide (GeO2) bổ sung vào Silica để làm tăng chỉ số chiết suất của
lõi. Muốn làm giảm chỉ số chiết suất của vỏ phải dùng chất bổ sung là
Fluorine. Nếu là sợi quang plastic thì dùng hai loại plastic khác nhau để làm
vỏ và lõi. Để tránh trầy xước vỏ và tăng độ bền cơ học, sợi quang thường
được bao bọc thêm một lớp chất dẻo tổng hợp. Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn


chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không
bị nứt do kéo dãn hoặc xước do cọ xát bề mặt; mặt khác tạo điều kiện bọc sợi
thành cáp sau này. Lớp vỏ bọc này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp. Cấu trúc
đầy đủ của một sợi quang sử dụng trong viễn thơng được mơ tả như Hình 2.1

Lõi

Vỏ

Lớp vỏ bọc sơ cấp

Hình 2.1. Cấu trúc sợi quang sử dụng trong viễn thơng

Kích thước của sợi phụ thuộc loại sợi, loại thứ nhất lõi có đường kính
2a = 50μmm gọi là sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đường kính 2a ≤ 10μmm gọi
là sợi đơn mode. Đường kính vỏ d của các loại sợi đều bằng 125μmm [5]. Sợi
quang đơn mode hoàn toàn thủy tinh (cả vỏ lẫn lõi) có hệ số mất mát rất nhỏ
và độ rộng băng truyền lớn. Loại sợi quang này thông thường được sử dụng
cho thơng tin đường dài mà ít khi sử dụng cho thơng tin đường ngắn. Những
sợi quang có lõi lớn thường sử dụng cho Y tế và công nghiệp. Sợi quang này
thường làm bằng plastic, chắc hơn sợi thủy tinh và giá thành sản xuất rẻ hơn.
Tuy nhiên với hệ số mất mát cao, loại sợi này ít được sử dụng trong thông tin
quang. Với thông tin tầm trung từ 500m đến 1km thông thường sử dụng sợi
quang lõi thủy tinh, vỏ plastic, gọi là PCS. Cả hai loại sợi quang plastic và sợi
quang thủy tinh vỏ plastic đều là sợi dạng bậc đa mode [6].
2.1.2 Phân loại
Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần
chiết suất của lõi sợi. Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi
có chỉ số chiết suất phân bậc SI (Step Index), loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi
giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số