1. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
Chương 7
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
7.1. Cấu tạo và nguyên lý sợi quang:
Sợi quang cấu tạo gồm 1 ruột – lõi (core) chiết suất n1 và vỏ (Cladding) chiết
suất n2 thoả mãn n1 > n2, nhờ đó sự phản xạ toàn phần xuất hiện tại bề mặt phân cách
này.
Hình 7.1. Sợi quang
Sự khác biệt giữa n1 và n2 rất bé (cỡ o/oo ), để tia sáng đi thẳng và tia phản xạ có
độ dài quãng đường và thời gian truyền chênh lệch không nhiều
Hình 7.2. Sự biến thiên chiết suất sợi quang
166

2. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
Người ta cố gắng giảm sự chênh lệch này nhỏ hơn nữa, bằng cách sử dụng sợi
quang có chiết suất biến thiên liên tục ( dạng parabol - chiết suất gradient)
Sợi quang có đường kính lõi rất bé ( 2 8μm). sự chênh lệch chiều dài truyền
thẳng và phản xạ không đáng kể, ta gọi là sợi đơn mode (Single mode)
Sợi quang đa mode (Multimode) có đường kính lõi cỡ 25 100 μm sẽ chịu méo
dạng sóng nhiều hơn , do thời gian truyền khác nhau của nhiều nhóm sóng, nên hạn
chế tốc độ truyền thông tin
Vật liệu làm sợi quang có 2 loại Plastic và glass
Sợi quang được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để
truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa.
Cáp quang có cấu tạo gồm
lõi : Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi
áo : Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi.
lớp bọc đầu tiên : Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt
jacket: Nhiều sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang. Những bó này được bảo
vệ bởi lớp phủ bên ngoài được gọi là jacket.
PHÂN LOẠI SỢI QUANG
sợi quang thạch anh
phân loại theo vật liệu điện
môi sợi thuỷ tinh đa vật liệu
sợi quang bằng nhựa
sợi quang đơn mốt
phân loại theo mốt truyền lan
sợi quang đa mốt
phân loại theo chiết suất khúc sợi quang chiết suất bậc
xạ sợi quang chiết suất biến đổi đều
Trong mạng viễn thông , sợi quang thuỷ tinh thạch anh được sử dụng nhiều bởi
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.
phân loại theo mốt lan truyền: theo mốt lan truyền được chia làm hai loại.
một là sợi quang đơn mốt (được gọi là loại SM ) loại sợi này chỉ cho một mốt lan
truyền. loại sợi thứ hai là loại đa mốt, cho nhiều mốt lan truyền.
167

3. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ:
• sợi quang SI (stepped index )
• Sợi quang GI (graded index )
• Sợi quang SM (Single mode )
Hình 7.3. Đường đi cuả ánh sáng qua sợi quang
• Multimode stepped index (chiết suất bước): Lõi lớn (100 μm ), các tia
tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng,
zig-zag…tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị
méo dạng.
• Multimode graded index (chiết suất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ
giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn
các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm
tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng.
• Single mode (đơn mode): Lõi nhỏ (8 μm hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi
khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode. Các tia truyền theo
phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng.
Đặc điểm :
Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng vào
cáp quang.
Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data.
Cáp quang chỉ truyền sóng ánh sáng (không truyền tín hiệu điện) nên nhanh,
không bị nhiễu và bị nghe trộm.
Độ suy giảm thấp hơn các loại cáp đồng nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng
ngàn km.
Cài đặt đòi hỏi phải có chuyên môn nhất định
Cáp quang và các thiết bị đi kèm rất đắt tiền so với các loại cáp đồng .
Các thông số tiêu chuẩn .
Sợi quang chiết suất
Các chỉ số Sợi quang đơn mốt
biến đồi
168

4. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
Bước sóng sử dụng 0.85µm 1.3 µm 1.3 µm 1.55 µm
Đường kính lõi 50 µm +/- 6% -------------------
Đường kính vỏ 125 µm +/- 2.4% 125 µm +/- 2.4%`
Tỷ lệ đồng tâm hoặc số
6% hoặc ít hơn 0.5 - 3 µm
đồng tâm
Tỷ lệ không tròn của lõi 6% hoặc ít hơn -----------
Tỷ lệ không tròn của vỏ 2% hoặc ít hơn 2% hoặc ít hơn
169

5. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.2. Truyền số bằng cáp quang:
Các tín hiệu điện cần ở dạng đơn cực .
Các bộ đồng bộ clock nơi thu là rất cần thiết.
Do băng thông sợi quang rất rộng , nên tốc độ thông tin phụ thuộc nhiều vào tốc
độ chuyển đổi điện quang , ít phụ thuộc vào kênh truyền .
Thông thường có 2 dạng mã đường truyền.
Mã nhị phân đơn giản nhưng không giữ được đồng bộ bit khi thông tin có dạng
chuỗi bit giống nhau . Để khắc phục , người ta ngẫu nhiên hoá (Scrambling) tín
hiệu ở nơi phát tin . Tại nơi thu , người ta giải ngẫu nhiên (Descrambling) để khôi
phục tín hiệu trở lại.
Mã CMI ( Coded Mark Inversion) phù hợp với truyền tốc độ cao trên sợi quang .
Mã CMI có khả năng đồng bộ rất cao , nhưng có phổ rộng hơn.
Hình 7.4. Code Mark Inversion CMI
7.3. Tốc độ đường truyền của hệ thống quang- hiên tượng tán sắc:
Hình 7.5. Dạng xung
Thời gian lên là thời gian được tính từ 10% 90% biên độ
170

6. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
• Nơi phát : LED có T = 5 15 ns, LD T = 0,1 2 ns
• Nơi thu : PIN , APD T = 1 4 ns
• Thời gian lên toàn hệ thống là:
2 2 2 2
T HeThong = 1,1. TPhat + TModal + TVat lieu + TThu
• Tphát là thời gian lên của diode phát
• TThu là thời gian lên của diode thu
• TModal là do tán xạ mode dọc theo sợi quang (đơn mode , đa mode )
• TVật liệu là do sự tán xạ bước sóng của vật liệu sợi quang (Chiết suất của sợi
quang phụ thuộc vào bước sóng )
• Gọi t là độ rộng xung điều chế , thông thường The thong = 0,35.t
• Tốc độ bit đường truyền là Rmax ~ 1 / The thong
Tán sắc trong sợi quang
Tán sắc trong sợi quang gây ra sự dãn rộng xung ánh sáng khi truyền.
7.3.1. Tán sắc mode do
• Sợi truyền nhiều mode
• Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền
khác nhau)
Hình 7.6. Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode
171

7. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.3.2. Tán sắc vật liệu (bước sóng)
Nguyên nhân:
• Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định.
• Tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm
của bước sóng)
• Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu
Hình 7.7. Quan hệ giữa tán sắc vật liệu với bước sóng
7.3.3. Dải thông B trên đường truyền quang
Dải thông đường truyền quang B là dải tần số của tín hiệu sao cho công suất
quang biến thiên 3 dB ( hay công suất điện tương ứng biến thiên 6 dB )
Dải thông đường truyền quang B phụ thuộc chiều dài d sợi quang và loại sợi
quang
Nhận xét
Dải thông B sợi quang đơn mode theo qui luật 1/d , nó rộng hơn nhiều so với
dải thông của sợi quang đa mode
Với sợi quang đa mode , dải thông B phụ thuộc vào chiều dài sợi quang d, do
sự tán xạ của sóng quang trong môi trường truyền. Nó theo qui luật 1/d nếu d < d tới hạn;
theo qui luật 1 chia cho căn bậc 2 của d nếu d > d tới hạn
Chú ý Tốc độ bit max truyền trên sợi quang là D = 1,25B
172

8. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.4. Các bộ chuyển đổi điện quang
Các bộ chuyển đổi điện quang thông thường là LED, diode Laser (LD)
Các bộ chuyển đổi quang điện thông thường là photodiode PIN , photodiode thác
lũ APD ( Avalanche photodiode )
Hình 7.8. Hệ thống thông tin quang đơn giản
Hình 7.9. Đặc tính của Laser diode
173

9. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
Hình 7.10. Đặc tính của photo diode
174

10. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.5. Suy hao sợi quang
Suy hao thuần sợi quang phụ thuộc bước sóng
• Suy hao thuần sợi quang khoảng vài dB/Km
• Suy hao thuần của sợi quang còn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng λ
• Ánh sáng vùng hồng ngoại (0,7 1,6 μm ) có suy hao nhỏ hơn nhiều so với
ánh sáng khả kiến (0,4 0,7 μm )
Có 3 vùng bước sóng ở vùng hồng ngoại cho độ suy hao cực tiểu
• Các hệ sợi quang cũ sử dụng bước sóng 0,85 μm
• Vùng bước sóng 1,3 μm Cho suy hao nhỏ hơn so với 0,85 μm
• Vùng bước sóng 1,55 μm đang được nghiên cứu đưa vào thực tế
Đáp ứng tần số tín hiệu trên sợi quang
• Với cùng sự suy hao thuần như nhau, Tín hiệu mang thông tin có tần số
càng cao càng chịu suy hao nhiều trên đường truyền sợi quang
Hình 7.11. Suy hao thuần sợi quang phụ thuộc bước sóng
Các nguyên nhân khác gây suy hao :
• Suy hao do hấp thụ
• Suy hao do tán xạ
• Suy hao do uốn cong …
175

11. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.6. Ứng dụng của sợi quang trong thông tin liên lạc
Sợi quang có các ưu điểm sau:
Băng thông rộng ( Vài chục Mhz với sợi đa mode , Vài chục Ghz với sợi
đơn mode ) Tốc độ truyền thông tin rất lớn , chỉ bị giới hạn bởi sự tán
sắc
Sự suy hao thuần rất thấp
Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ , tránh được sự ghép ký sinh
Có thể sử dụng trong môi trường điện từ phức tạp
Ít thay đổi đặc tính theo nhiệt độ
Cách điện hoàn toàn giữa phần thu và phát (chống nhiễu đầu gần)
Nhẹ và chịu xoắn cơ khí
Có tiềm năng lớn về kinh tế và công nghệ
Tồn tại:
Việc nối các sợi quang đòi hỏi cơ khí chính xác
Việc ghép các kênh truyền quang học còn khó khăn
Hình 7.12. Suy hao sợi quang so với cáp
176

12. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
7.7. Các thông số cơ bản của sợi quang
Đặc tính của truyền số là:
• Tốc độ bit nhị phân cần truyền
• Chiều dài của đường truyền
• Xác suất sai mỗi bit chấp nhận được
Đặc tính của môi trường truyền sợi quang là:
• Độ suy hao thuần trên đường truyền
• Sự tán xạ mode (modal dispersion) và tán xạ sắc (chromatic dispersion) làm
tăng độ rộng xung
Các thông số thực tế khác:
• Suy hao do ghép nối không chặt giữa 2 sợi quang , giữa sợi quang và bộ chuyển
đổi điện quang, suy hao do vết nứt trên sợi quang
• Đáp ứng thời gian của bộ chuyển đổi điện quang
7.8. Nguyên lý thông tin sợi quang
Người ta điều chế tín hiệu dựa trên cường độ của ánh sáng
Sự suy hao trên đường truyền sóng quang do hiện tượng hấp thụ và tán xạ
(absorption and diffusion) và tại các bộ chuyển đổi điện quang
Cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang gồm:
• Bộ điều chế như PCM …
• Bộ chuyển đổi điện quang (electro-optic) tại nơi phát . Nó điều chế
cường độ sóng quang
• Bộ chuyển đổi quang điện (opto-electronic) tại nơi thu. Nó giải điều chế
hình bao của cường độ sóng quang
• Bộ giải điều chế điện để khôi phục thông tin được truyền đi
Hình 7.13. Suy hao và tái tạo tín hiệu trong Hệ Thống Thông Tin quang
177

13. Chương 7: Hệ thống thông tin quang
Hình 7.14. Mạng Thông Tin quang
178