HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
———******———
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG
ĐỀ TÀI:
Ghép Kênh Quang Phân Chia Theo
Ghép Kênh Quang Phân Chia Theo


Thời Gian OTDM
Thời Gian OTDM

GV hướng dẫn: TS Hoàng Văn Võ
GV hướng dẫn: TS Hoàng Văn Võ
SV thực hiện : Đinh Huy Mười
SV thực hiện : Đinh Huy Mười


Lê Trường Nam
Lê Trường Nam


Trần Văn Binh
Trần Văn Binh




Nhóm 27 - Lớp: H10.VT1
Nhóm 27 - Lớp: H10.VT1

Hà Nội 03,2012
Hà Nội 03,2012
MỤC LỤC

CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG

CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG

CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG

CHƯƠNG V. GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN


KẾT LUẬN
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối
với thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó đòi hỏi
mạng viễn thông phải có dung lượng lớn, tốc độ cao,băng thông
rộng …Mặt khác mấy năm gần đây do dịch vụ thông tin phát triển
nhanh chóng,để thích ứng không ngừng với sự phát triển của
dung lượng truyền dẫn thông tin, thì hệ thốngthông tin quang ra
đời đã khẳng định được chính mình.

Với việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra
một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn vào năm 1960. Bằng khuyến
nghị của Kao và Jockham 1966 về việc chế tạo ra sợi quang có độ
tổn thất thấp. Bốn năm sau, Kapron đã chế tạo ra được sợi quang
trong suốt có độ suy hao đường dẫn khoảng 20dB/km

CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
Thiết bị đầu cuối
phát quang Trạm lặp
Thiết bị đầu cuối
thu quang
Tín hiệu
vào
Sợi quang Tín hiệu
ra
Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.2.1. Chức năng các khối
1. Khối dồn kênh /tách kênh (MUX/DEMUX) nhằm ghép các luồng tín hiệu có tốc độ
thấp (2Mbit/s, 4Mbit/s, 140Mbit/s, 158Mbit/s….) thành luồng tín hiệu có tốc độ cao
hơn và ngược lại.
2. Khối phát có mạch điều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu điện
thành các tín hiệu quang để truyền thông qua cáp sợi quang.
3. Cáp sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu ánh sáng.
4. Trạm lặp (Reqeater) hoặc bộ khuếch đại quang đối vói tuyến có cự ly dài.
5. Khối thu quang gồm có photodiode để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu
điện, khối khuyếch đại và khôi phục tín hiệu.
1.2.2. Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang
Cự ly tuyến truyền dẫn L (km), tốc độ bit B (Mbit/s)
Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR
Tỉ số lỗi bit BER
Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz)
Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và
tốc độ bit BxL (Mbit/skm)
Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng

làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns)
Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm)
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
2.1. Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang
2.1.1. Cấu tạo cáp sợi quang
Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau. Lớp trong
gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên
ngoài
2.1.2. Phân loại sợi quang:
Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố
chiết suất, phân loại theo mode lan truyền.
Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn
hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo.
Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang
chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index).
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng
2.2.1 Cơ sở lý thuyết
Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ trong lõi sợi
và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi
quang. Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự phản xạ và khúc xạ sóng ánh sáng trên bề
mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n1>n2 khi sóng ánh
sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai.
Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn.
Hình 2.1. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Hình 2.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng
2.2.2. Khẩu điều chế số


Trên hình vẽ ta thấy, tia tới 1 khi từ không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một
góc là , ứng với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn khi đến mặt phân chia sẽ khúc xạ
ra vùng vỏ và bị tiêu hao, không truyền dọc theo sợi. Tia tới 2 khi đi vào lõi sợi
lập với trục sợi một góc ứng với góc tới hạn nên đến mặt giới hạn sẽ truyền
dọc theo mặt này
Hình 2.3. Khẩu điều chế số
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng
2.2.3. Lý thuyết mode sóng
Lý thuyết mode sóng dựa trên việc tìm nghiệm phương trình Mac-xoen hay phương
trình sóng thuần nhất trong và điều kiện bờ trên mặt phân chia của các lớp sợi
quang. Các phương trình đó có dạng như sau:
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.3. Các đặc trưng suy hao của sợi quang
2.3.1 Các đặc trưng suy hao của sợi quang
Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo
chiều dài sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao.
Nếu xét trên 1km chiều dài sợi quang, Pv là công suất tại cuối sợi quang thì
lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là:
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.3.2. Phổ suy hao
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc
nên suy hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng
gọi là phổ suy hao.
Hình 2.4. Phổ suy hao của sợi quang
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
2.3.3. Đặc tính tán sắc của sợi quang
Sự tán sắc của sợi quang: khi ánh sáng truyền trong sợi quang ngoài bị suy hao
còn bị mở rộng độ rộng xung quanh, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong
sợi quang. Hình 2.6 dưới mô tả sự tán sắc của sợi quang

Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn đặc tính tán sắc của sợi quang
CHƯƠNG II. CÁP SỢI QUANG
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
3.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn
3.1.1. Nguyên lý bức xạ ánh sáng
Nguồn phát quang dùng trong thông tin sợi quang thích hợp là các linh
kiện quang bán dẫn gồm diode bức xạ ánh sáng LED và diode laser LD.
Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và
diode laser LD dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa
điện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn
được đặt dưới điện áp thuận
3.1.2. Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang
Không phải mọi chất bán dẫn đều có thể bức xạ ra ánh sáng, mà chỉ có một
số chất bán dẫn có các tính chất nhất định mới bức xạ ra ánh sáng.
Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tuân theo định luật bảo toàn năng
lượng và bảo toàn xung lượng.
Hình 3.1.Dải cấm năng lượng trực tiếp
Hình 3.2. Dải cấm năng lượng gián tiếp
3.2 Phân loại nguồn phát quang
Nguồn phát quang là linh kiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng có công suất tỉ
lệ với dòng điện chạy qua nó.Có hai loại nguồn quang được sử dụng trong thông tin quang.
3.3. Diode phát quang (LED)
Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang
là SLED phát xạ mặt (surface light emitting diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting
Diode). Cả hai loại này đều dùng cấu trúc dị thể kép để “giam” hạt đa số và ánh sáng vào một
lớp hoạt tính.
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
Bảng 3.1. So sánh ELED và SLED
3.3.1. LED phát xạ mặt
Diode dị thể kép được hình thành trên nền của một chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode

có khoét thêm một lỗ tròn.
Hình 3.3. Cấu tạo của LED phát xạ mặt
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
3.3.2. LED phát xạ cạnh
Để giảm mất mát do hấp thụ trong lớp hoạt tính và làm cho chùm tia định hướng hơn, ta có thể
lấy ánh sáng ra từ cạnh của led. Loại led này được gọi là led phát xạ cạnh (ELED). Cấu trúc như
hình vẽ.
Hình 3.4. Cấu trúc LED phát xạ cạnh
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
3.3.3. Các đặc trưng kỹ thuật của LED
Đặc tính phổ: sự phát xạ ánh sáng do dịch chuyển ngẫu nhiên của các
điện tử qua dải cấm gọi là phát xạ tự phát
3.4. LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)
Thông thường diode laser được sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc độ cao (các tuyến này
dùng sợi quang đơn mode SM). Nói chung yêu cầu đặt ra đối với diode laser trong thông tin
quang là giảm thiểu độ rộng vạch phổ và hoạt động chế độ đơn mode và yêu cầu quan trọng là
tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng điện ngưỡng.
3.4.1. Cấu trúc và nguyên tắc làm việc
Không giống như LED (ánh sáng phát ra là do bức xạ tự phát), ánh sáng LASER được tạo ra
bằng bức xạ kích thích. Bức xạ kích thích xảy ra khi một photon sơ cấp (hv)1 va đập vào một
nguyên tử đã được kích thích và thay vì hấp thu photon này lại kích thích cho một điện tử dịch
chuyển xuống qua dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)2
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
•
•
C
V
B
V
C

V
B
V
( )
1
hv
( )
1
hv
( )
2
hv
O
O
( )
a
( )
b
photon
Hình 3.5

a) Bức xạ tự phát b) bức xạ kích
thích
3.4.2. Một số loại laser được sử dụng
3.4.2.1. Laser đa mode Fabry_Pero (F_P)
3.4.2.2. LASER đơn mode
a. Laser DFB (Distribued Feed Back)
Ở laser này có sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở 2 gương mà tiến hành trên cả
chiều dài vùng hoạt tính của hộp cộng hưởng, gọi là sự phản hồi phân bố. Để tạo ra sự phản hồi
phân bố, người ta tạo ra các bộ phản xạ cách tử có tính chọn

b. Laser đơn mode cộng hưởng liên kết
Một phương pháp đơn giản để chế tạo laser có thể điều chỉnh được bước sóng ánh sáng ra là
sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng Fabry- perot duy nhất trong
số các mode Fabry- Perot cùng tồn tại của laser bằng cách điều chính các tham số của bộ lọc
Hình 3.6. Cấu trúc của bộ lọc ngoài
CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
3.4.3. Các đặc trưng của laser
a) Đặc tính phổ của diode laser
Trong trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới có thể
lan truyền được trong buồng cộng hưởng. Điều kiện để truyền lan ánh sáng là sóng
phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau
1
5.0
λ
Ánh sáng ra
0
λ
độ rộng vạch phổ
P
(a)
(b)
1
5.0
độ rộng vạch phổ
λ
Ánh sáng
ra
(d)
(c)
Hình 3.7. Đồ thị phổ bức xạ của LASER

CHƯƠNG III. NGUỒN PHÁT QUANG
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
4.1. Khái quát về nguồn thu quang
Nguồn quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi là photo
diode. Có hai loại photo diode được sử dụng phổ biến là photo diode PIN và và photo
diode thác APD. Photo diode có nhiệm vụ thu và biến đổi tín hiệu quang từ máy phát
truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu điện.
4.2. Photo diode P-N
4.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc tách sóng quang của photo diode P-N
Photo diode P-N được cấu tạo từ một chuyển tiếp P-N từ bán dẫn như Si và được
cấp một thiên áp ngược (hình 4.1)
Do sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống nên giữa hai lớp P-N của bán dẫn hình
thành một lớp chuyển tiếp P- N có rất ít điện tích tự do được gọi là lớp nghèo với độ
rộng là l và có một điện trường tiếp xúc Etx. Ở trạng thái cân bằng, điện trường này
ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các điện tử và lỗ trống qua lớp nghèo
4.2.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N
a. Độ nhạy R
Độ nhạy của photo diode được biểu diễn qua hiệu suất lượng tử của nó theo biểu thức:
Ở đây: e=1,6.10-19C là điện tích của điện tử
b. Hiệu suất lượng tử
Hình 4.1 biểu diễn các đường cong độ nhạy
R và hiệu suất lượng tử phu thuộc vào bước
sóng của các chất bán dẫn dung chế tạo photo
diode như Si, Ge và InGaAs. Từ đồ thị ta thấy
mỗi photo diode chỉ làm việc trong vùng. Bước
sónggọi là bước sóng cắt. Tại vùng độ nhạy
của photo diode.
24,1
ηλη
==

hv
e
R
Hình 4.1. Đường cong độ nhạy R và hiệu suất lượng tử
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
4.2.3. Các đặc tính kỹ thuật của photo diode P- N
4.3. Photo diode PIN
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N và
lớp giữa I (I là chất tinh khiết cao ôm- Instrinsic). Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp
xúc kim loại để tạo thành các điện cực là anôt và catot. Nhờ có thêm vùng bán dẫn
tinh khiết I nên điện trường do điện áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường
khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều
lần so với photo diode P-N.
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
P
I
N
Chiều dầy
Trở tải R
L
Thiên áp
Photon tới
Điện trường
+
X
Y
Hình 4.2. Cấu tạo của photo diode quang
4.3.2. Tham số kỹ thuật của PIN
Bảng 4.1 thể hiện các tham số kỹ thuật của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán

dẫn khác nhau:
Bảng 4.1. Các tham số kỹ thuật của photo diode PIN
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
4.4. Photo diode thác APD
Photo diode thác APD có nhược điểm là độ nhậy bị hạn chế, do vậy trong các tuyến thông tin
yêu cầu độ nhậy của máy thu cao, ta cần phải sử dụng một loại photo diode có độ nhậy cao hơn
gọi là photo diode thác APD. Trong photo diode thác APD dòng quang điện được khuếch đại lên
nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hoá do va chạm của điện tử được tạo ra với
mạng tinh thể trong lớp nhân thác của diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong
khoảng thời gian rất ngắn.
4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Photo diode thác APD được cấu tạo từ chất bán dẫn Si hoặc InGaAs bao gồm 4 lớp là P+, N+, I
và P cao ôm. Ở đây các vùng bán dẫn + được pha tạp chất với nồng độ cao.
Hình 4.3. Cấu tạo của diode thác APD
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG
4.4.2. Các tham số kỹ thuật của APD
Để đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD, ta đưa vào tham số
gọi là thừa số nhân thác M. Nó được biểu thị bởi tỷ số của dòng quang điện trung bình tổng đầu
ra trên dòng ban đầu không được nhân là:
Độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau:
. Bảng 4.2 các thông số kỹ thuật APD.
1APD
R MR
hv
e
M
==
η
p
I

i
M
=
CHƯƠNG IV. NGUỒN THU QUANG