kỹ thuật thông tin quang SDH

lờI mở đầu.
Có ba phơng thức truyền dẫn đợc sử dụng trong mạng viễn thông hiện nay
đó là: truyền dẫn cáp đồng, truyền dẫn cáp quang, truyền dẫn sóng vô tuyến.
trong đó truyền dẫn cáp sợi quang đang và sẽ tiếp tục chiếm u thế trong mạng
truyền dẫn. truyền dẫn quang có những u điểm là : độ rộng băng tần lớn, độ
truyền dẫn cao, độ tin cậy cao. . . Do đó đáp ứng đợc tất cả các dịch vụ từ các
dịch vụ tấc độ thấp và trung bình nh thoại, fax,. . . Cho tới các dịch vụ tấc độ cao
nh hội nghị truyền hình,truy cập dữ liệu từ xa,dịch vụ chuyển giao tệp đa môi tr-
ờng,. . .
Tại việt nam truyền dẫn sợi quang đang đợc chuyển giao rộng rãi : Mạng
truyền đờng trục, mạng truyền dẫn trung kế, mạng truyền dẫn nội hạt và trong tơng
lai các đờng kết nối thuê bao tới tổng đài hoặc các bộ tập trung từ xa sẽ đợc thay
thế bằng sợi quang. Điều đó có nghĩa là một mạng truyền dẫn toàn quang là có thể
thực hiện đợc.
Hai phơng thức truyền dẫn chính trong thông tin quang là truyền dẫn cận
đồng bộ PDH và truyền dẫn đồng bộ SDH . Tuy nhiên dung lợng của của PDH còn
hạn chế nh trạm xen-rẽ phải sử dụng nhiều thiết bị , kênh nghiệp vụ còn ít ... nên
không thích hợp nên không thích hợp với mạng viễn thông có dung lợng cao và
băng thông rộng . chính vì thế công nghệ truyền dẫn SDH đã ra đời đã đáp ứng kịp
nhu cầu thông tin ngày càng cao mà vẫn đảm bảo chất lợng thông tin tốt . Đối với
nớc ta công nghệ SDH đã thâm nhập mạng viễn thông đờng trục trên đất liền có tốc
độ 2,5Gbit/s có cấu hình mạng Ring tự phục hồi , ở các tỉnh các thành phố ngày
càng nhiều thông tin cáp sợi quang SDH. Vì vậy việc tìm hiểu và nắm vững kĩ thuật
truyền dẫn thông tin quang SDH là một nhu cầu cần thiết đối với mỗi nhân viên và
còn là nhiệm vụ của các công nhân , kĩ thuật viên vận hành và khai thác kĩ thuật
thông tin quang SDH.
Với mục đích nh vậy bản đồ án của em gồm có 2 phần :
1
Phần I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang gồm có 3 chơng :
Chơng I : Hệ thống thông tin quang.
Chơng II : Sợi quang.

Chơng III : Khái quát hệ thống thông tin sợi quang.
Phần II : Công nghệ SDH trong thông tin quang gồm có 4 chơng.
Chơng I : Bộ ghép PCM-24 và PCM-30
Chơng II : Phân cấp số cận đồng bộ PDH.
Chơng III : Hệ thống thông tin đồng bộ SDH.
Chong IV: Thiết bị SDH, cấu trúc mạng và các thiết bị bảo vệ.
Mặc dù đã rất nhiều cố gắng nhng vì thời gian có hạn , hơn nữa trình độ
hiểu biết cha sâu nên bản báo cáo của em còn nhiều hạn chế không tránh đợc khỏi
những sai sót em mong đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn

2
phần I.
TổNG QUAN Về Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG.
Lịch sử phát triển.
Ngay từ thời xa xa con ngời đã biết ánh sáng để truyền tin thời thợng cổ
con ngời đã biết dùng khói lửa để thông báo cho nhau biết mỗi khi có kẻ thù
xâm lăng. Vào thế kỉ 18,một dẫy dài các cột báo hiệu đã đợc xây dựng dùng để
truyền tin. Khi tín hiệu moóc ra đời,tầu thuyền đi biển đã dùng cờ hiệu hoặc
ánh đèn nhấp nháy để truyền các bức điện báo. Phơng thức truyền tin này tồn
tại cho tới khi có điện báo vô tuyến. ý tởng truyền ánh sáng qua thuỷ tinh đợc
bắt nguồn từ thí nghiệm 'Suối ánh sáng' của John Tydall tại Anh vào năm 1970
Tại thí nghiệm này ngời ta quan sát thấy ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng
truyền qua dòng nớc hẹp nhờ phản xạ toàn phần giữa nớc và không khí. Các thí
nghiệm đầu tiên về truyền sóng ánh sáng qua sợi thuỷ tinh trần đã đợc thực hiện
tại Đức vào năm 1930. Nhng do lúc bấy giờ thuỷ tinh có độ xuy hao và tán sắc
lớn, giòn dễ gẫy nên không đợc áp dụng vào thực tế. Sợi quang có lõi thuỷ tinh
có chiết xuất cao và đợc bao bọc bởi lớp vỏ thuỷ tinh chiết xuất thấp hơn đã đ-
ợc A. S. CVanHeel, H. H. Hopkin và N. S. Kanapy chế tạo vào năm 1954 để
truyền hình ảnh trong máy nội soi. Laser đợc phát minh vào năm 1960. Sau khi
laser ra đời một hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang qua không khí đã đợc xây

dựng. Tuy nhiên do ảnh hởng của địa hình,ma, mây mù và nhiệt độ thay đổi vv.
. . Nên truyền tin không ổn định. Do do các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm môi tr-
ờng truyền dẫn ánh sáng tốt hơn.
Theo tinh toán thì sợi thuỷ tinh có suy hao khoảng 20dB/km thì có thể
truyền dẫn tín hiệu quang đi xa. Nhng từ năm 1967 trở về trớc chỉ mới chế tạo
đợc sợi có suy hao lớn hơn hoặc bằng 1000dB/km tại các bớc sóng nhìn thấy.
Do đó mà sợi quang chỉ đợc áp dụng trong các phòng thí nghiệm. Vào năm
1970 Kao và Hockman đã chế tạo sợi quang có xuy hao vào khoảng 20dB/km.
Với sợi quang này thì công suất mà ánh sáng truyền đợc 2km đã bị giảm 40 dB.
3
Hệ thống thông tin quang nh vậy cũng chỉ tơng đơng với hệ thống thông tin kim
loại có khoảng lặp khoảng 2km.
Năm 1975 mỹ đã sản xuất đợc sợi quang có xuy hao 2dB/km. Nhật bản
đã sản xuất đợc sợi quang có xuy hao 0,5dB/km vào năm 1978 và 0,2dB/km vao
năm 1979 tại các bớc sóng 1,3àm và 1,5àm. Vào năm 1982 corning đã thông
báo kết quả nghiên cứu loại sợi quang có xuy hao thấp nhất là 0,15dB/km tại b-
ớc sóng là 1,6àm khi sử dụng Silic. Nếu sản xuất thành công sợi quang nh vậy
thì công suất quang chỉ giảm một nửa khi truyền tin đi xa 20km.
Song song với sự phát triển của sợi quang, loại nguồn quang trọng
nhất là laser cũng không ngừng phát triển và hoàn thiện. Năm 1980 đã sản xuất
thành công laser có bớc sóng phù hợp với sợi quang. Cũng vào thời điểm nay tại
các nớc công nghiệp phát triển đã sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang
thay thế các đờng truyền trung kế cáp kim loại có tấc độ bít lớn hơn 8Mbit/s.
Các hệ thống thông tin quang thế hệ đầu tiên sử dụng sợi đa mode và
laser diode bức xạ bớc sóng xung quanh 850nm. Vào năm1985 loại laser này
không đợc sử dụng với các cự ly dài và chỉ đợc sử dụng trong các mạng thông
tin nội bộ. Tiếp theo là các hệ thống thông tin quang sử dụng cho các sợi đơn
mode tại các dải bớc sóng 1,3àm và 1,55àm đã đợc đa vào khai thác. nhiều hệ
thống thông tin cáp sợi quang đơn mode thả biển và trên đất liền đã đợc lắp đặt
vào cuối thế kỉ 80, điển hình là tuyến cáp quang vợt đại tây dơng TAT-8 đã đợc

khai thác và sử dụng vào năm1988. Từ đó đến nay mạng thông tin cáp sợi
quang đã đợc khai thác với nhịp độ nhanh chóng.
Các hệ thống thông tin quang hiện đại sử dụng điều chế cờng độ và tách
quang trực tiếp (IM/DD). Cũng đã có một hớng nghiên cứi khác là truyền dẫn
sợi quang coherent. Hệ thống quang này sử dụng điều chế quang ngoài, tách
quang heterodyne và homody sẽ khắc phục một số hạn chế của của hệ thống
thông tin quang thông thờng. Trong những năm gần đây công nghệ ghép bớc
4
sóng và khuyếch đại quang cũng đợc triển khai rộng rãi, mở đờng cho việc tăng
cự ly và đặc biệt là tốc độ bít của hệ thống tới hàng trăm Gbit/s.
Nh vậy có thể thấy thông tin quang liên tục phát triển và đáp ứng nhu cầu
ngày càng cao của con ngời.
Chơng I
hệ thống thông tin quang
1. 1 Mở đầu.
5
hiện nay nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng tăng đòi hỏi số lợng kênh
truyền dẫn lớn, song các hệ thống truyền dẫn viba,vệ tinh không cho phép tổ
chức các kênh cực lớn. Nhng với kĩ thuật thông tin quang, ngời ta có thể tạo ra
các luồng kênh hệ thống truyền dẫn nhiều kênh, hơn hệ thống điện. Hiện nay đã
chế tạo ra các hệ thống truyền dẫn hằng trăm Gbit/s và ở một số nớc đã có trên
50% hệ thống kênh truyền dẫn là các kênh truyền dẫn quang.
Hiện tại,thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Các hệ
thống truyền dẫn quang đợc ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống
truyền dẫn khác và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá
trình chuyển đổi tín hiệu địên-quang ở đầu phát và tín hiệu quang-điện ở đầu
thu. Tín hiệu đa vào truyền dẫn và lấy ra đều là tín hiệu điện thông thờng, chỉ có
trên đờng truyền là tín hiệu quang
1. 2 Các thành phần của một hệ thống thông tin
quang.

Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin quang :

Hình 1: sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin quang
+ các phần tử của hệ thống :
1; Nguồn tín hiệu thông tin : có dạng tín hiệu thờng nh tiếng nói,hình
ảnh, số liệu văn bản,vv. . .
2; Phần tử điện tử: Để xử lý nguồn thông tin tạo ra các tín hiệu điện đa
vào các hệ thống truyền dẫn có thể là tín hiệu analog hoặc digital.
3; Bộ biến đổi điện-quang E/O :
Để điều biến tín hiệu vào cờng độ bức xạ quang để cho phát đi tín hiệu
4; Sợi quang (SQ):
6
Phần
điện tử
Biến đổi
điện quang
E/O
Sợi
quang
SQ
Biến đổi
quang điện
E/O
Phần
điện tử
Nguồn
tín hiệu
Tín hiệu
thu
Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ E/O đã điều biến.

5; Bộ biến đổi quang - điện O/E :
Là bộ thu quang tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở
thành tín hiệu điện nh tín hiệu đã phát đi.
6; Tải tin :
Trong hệ thống thông tin quang ánh sáng cũng là sóng điện từ nhng có tần số
rất cao. Do vậy, tải thông tin quang rất phù hợp, thuận tiện cho các tín hiệu băng
rộng.
1. 3 Đặc tính của thông tin quang :
1. 3. 1. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang:
+ Hệ thống tin quang khai thác miền phổ điện từ cha đợc sử dụng. Từ
trớc những năm 1960, hệ thống thông tin điện sử dụng các vùng bớc sóng khác
nhau để truyền tin : Sóng dài(100m -100km), sóng ngắn(10cm - 100m), sóng
viba (1mm-10cm), tuy nhiên cho tơi năm 1960 việc phát minh ra laser cho phép
sử dụng dải tần số từ 0,4àm tới 0,6àm để truyền tin. Dải băng tần này năm
trong vùng tần số rất lớn nằm ngoài vùng tần số mà các hệ thống thông tin
quang tín hiệu đợc truyền trong sợi khác trong hệ thống thông tin quang tín hiệu
đợc truyền trong sợi quang do đó không cần đăng kí với cục quản lý tần số.
+ băng tần rộng và dung lợng cao nên truyền đợc mọi loại dịch vụ và
nâng cao tốc độ bít dễ dàng.
+ cáp sợi quang phi kim loại không dẫn điện và không cảm ứng điện
từ trờng nên có thể đi gần đờng dây điện lực, không bị sét đánh và không bị ảnh
hởng của can nhiễu,điện từ bên ngoài.
+ Do môi trờng truyền dẫn sợi quang có xuy hao nhỏ (cỡ 0,2dB/km) do
đó khoảng cách giữa các trạm lặp tăng, và do đó số lợng trạm lặp giảm đáng kể
so với hệ thống cáp kim loại cổ điển.
+ Vật liệu chế tạo sợi quang là silic. Đây là vật liệu sẵn có, đồng thời
công nghệ chế tạo quang không ngừng đợc cải tiến. Do đó giá thành cáp sợi
7
quang cũng giảm dần và nó đợc thay thế cáp đồng - là một trong những tài
nguyên đang dần khan hiếm và phải sử dụng cho các lĩnh vực khác.

+ Do không bị ảnh hởng của can nhiễu bên ngoài nên chất lợng dịch vụ
cao hơn. . .
1. 3. 2. Nhợc điểm của cáp quang:
+ Sợi quang nhạy cảm với hơi ẩm và nớc thấm vào bên trong cáp, nhạy
cảm với bức xạ ion.
+ Phải bổ xung dây kim loại khi co yêu cầu cấp nguồn từ xa cho các
trạm lặp.
+ Hiệu suất nôi ghép nguồn quang- sợi và công suất phát của nguồn
quang còn thấp.
+ Đòi hỏi công nghệ cao trong chế tạo laser diode và sợi quang.
+ Sợi quang dòn và dễ gẫy, việc hàn nối khó khăn đòi hỏi công nghệ
cao. Việc triển khai hệ thống truyền dẫn quang ở các địa hình phức tạp nh :
vùng đồi núi,ven biển,hải dảo là tốn nhiều thời gian và công sức. .
1.4 Những ứng dụng của sợi quang :
+ Sợi quang đợc ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác.
+ Vị trí của sợi quang trong mạng lới thông tin trong giai đoạn hiện nay
gồm :

Mạng đờng trục quốc gia.
Đờng trung kế.
Đờng cáp thả biển liên quốc gia.
Đờng truyền số liệu.
Mạng truyền hình.
8
chơng II
SợI QUANG
2. 1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng.
2. 1. 1 sự phản xạ và sự khúc xạ.
Tổng quát, khi ánh sáng truyền trong môi trờng một đến mặt phẳng phân
cách với môi trờng hai, với chiết suất n

1
>n
2
thì có hiện tợng nh hình vẽ 2. 1

với
1
là góc tới - góc hợp giữa mặt phân cách hai với môi trờng tia tới.

2
là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi tr-
ờng với tia khúc xạ và đợc xác định bởi công thức SNELL:
n
1
sin
1
>n
2
sin
2
ở đây : vì n
1
>n
2
cho nên tới góc ở môi trờng chiết quang hơn sẽ nhỏ hơn
góc khúc xạ
2
ở môi trờng kém chiết quang hơn : Nếu góc tới
1
lớn dần nên

tới một giá trị
c
tạo ra tia khúc xạ nằm song song với danh giới phân cách hai
môi trờng thì lúc này
c
đợc gọi là góc tới hạn,lúc này không tồn tại tia khúc xạ
ở môi trờng 2 (tia2) . Khi một tia sáng có góc
1
>
c
thì bị phản xạ ngợc trở lại
Pháp Tuyến
(1)(2)
(3)
(3)
(2)
(1)
Môi trường 1
Môi trường 2
Hình 2. 1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh
sáng
c

1

2
9
Mặt phân cách
( tia3). Hiện tợng các tia sáng bị phản xạ trở lại môi trờng ban đầu tại mặt phân
cách hai môi trờng gọi là phản xạ toàn phần bên trong. (phản xạ toàn phần).

2. 1. 2 Sự phản xạ toàn phần
Từ công thức SNELL đã nêu trên ta thấy :
Nếu n
1
>n
2
thì
1
>
2
: Tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến.
Nếu n
1
<n
2
thì
1
<
2
: Tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến hơn nh
hình 2. 1
Trờng hợp n
1
>n
2
nếu tăng
1
thì
2
tăng luôn lớn hơn

1
khi
2
= 90 tức là
tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp,thì
1
đợc gọi là góc tới hạn
1
. Nếu
tiếp giáp tăng
1
>
c
thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ ( Hình2.
1). Hiện tợng này đợc gọi là phản xạ toàn phần.
Dựa trên công thức định luật khúc xạ ( Công thức SNELL) với
1
=90 có
thể tính đợc góc tới hạn
c
:
Sin
c
= hay
c
= arcsin

2. 2. Cấu tạo sợi quang.
Sợi quang cấu tạo gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n
1

bán kính và
lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết xuất n
2
<n
1
và có bán
kính là b. Các tham số a, b ta có các định nghĩa :
Độ lệch chiết suất n =n
1
-n
2
Độ lệch tơng đối :
=
Hai tham số này quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang :
10
n
2
n
1
n
2
n
1
n
n
1
=
n
1
n

2
n
1
=
n
1
2
n
2
2
2n
1
2
2. 3 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
ứng dụng của hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm
một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất là n
1
và một lớp bao bọc ( cladding)
bằng thuỷ tinh có chiết suất là n
2
với n
1
> n
2
(Hình 2. 4)
ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần( phản xạ toàn
phần ) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ bọc. Do ánh sáng có thể truyền đợc
trong sợi có cự ly dài ngay cả khi bị uốn cong với một độ cong tới hạn.

Hình 2. 4 nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

2. 4 Khẩu độ số NA.
Sự phản xạ toàn phần chỉ sảy ra với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi
nhỏ hơn góc giới hạn
max
(Hình 2. 5).
Sin của góc này gọi là khẩu độ số,kí hiệu là NA.
NA=sin
max
.
d
k
a
d
m
Hình 2. 3 Cấu tạo sợi quang
r
11
Lớp bọc (Cladding) n
2
n
2
o
n
1
Lõi (Core) n
1
Lớp bọc (Cladding) n
2
áp dụng công thức snell để tính NA.
Tại điểm A đối với tia 2.

N
0
sin
max
=n
!
sin(90-
c
)
Mà : n
0
= 1 chiết xuất của không khí = 1-sin
2

c
Sin(90-
c
) =cos
c
= a
Do đó :
` = =
Độ lệch chiết xuất tơng đối có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức
là từ 0,2 đến 1,3%).

2. 5 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu trúc chung của sợi quang gồm lõi bằng thuỷ tinh có chiết xuất lớn và
một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhung chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp
bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính ( khoảng
cách tính từ trục của sợi ra). Sự biến thiên theo bán kính đợc viết dới dạng tổng

quát nh sau, và đợc biểu diễn nh trên hình 2. 6.

n
(r)
=
Trong đó :n
1
: chiết suất lớn nhất của lõi.
n
2
: chiết suất của lớp vỏ bọc.
=
12

n
2
n
2

max
2
B
A
1
2
n
1
Hình 2. 5 - Đường truyền của các tia sáng với các góc tới khác nhau
Hình 2. 6 Các dạng phân bố chiết suất
n

2
2
n
1
2
n
1
n
2
n
1
n
1
2
n
2
2
2n
1
2
n
1
1 - ; r a (trong lõi)
n
2
; a < r 3 (lớp bọc)
r
2
a
n

1
n
2
n
1
r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất.
a: bán kính lõi sợi.
b : bán kính lớp bọc.
g : Số mũ quyết định dạng biến thiên,g>1.
Các giá trị thông dụng của g:
g=1 dạng tam giác.
g=2 dạng parabol.
g dạng nhẩy bậc.

2.5.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (Sợi SI
:Step- Index)
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc
khác nhau một cách rõ rệt nh hình bậc thang . Các tia từ nguồn quang phóng
vào đầu sợi với góc tới khác nhau xẽ truyền theo những đờng khác nhau.
Các tia trong lõi truyền với cùng vận tốc (Vì v=c/n
1
ở đây n
1
không đổi )
mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian sẽ khác nhau trên cùng một
chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tợng : Khi đa một xung ánh sáng hẹp
vào đầu sợi lại nhận đợc một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện t-
13
Hình 2. 6 Các dạng phân bố chiết suất
g ->

g = 2
g = 1
n(r)
r
max
= 1
rb a a b
o
ợng tán sắc ( Dispersion ). Do đó độ tán sắc ánh sáng lớn nên sợi SI không thể
truyền tín hiệu có tốc độ cao qua cự ly dài đợc. Nhợc điểm này có thể khắc
phục ở trong loại sợi quang có chiết suất giảm dần.
2.5.2 Sợi GI có chiết suất giảm dần (Sợi GI : Graded-
Index).
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi dạng parabol.
n
r
=
Vì chiết thay đổi một cách liên tục nên tia sáng ở trong lõi bị uốn cong
dần.
Đờng truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhng
vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục co đờng truyền dài hơn
nhng có vận tốc truyền lớn hơn ( v=c/n ) và ngợc lại các tia ở gần trục có đờng
truyền ngắn hơn nhng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đ-
ờng truyền ngắn nhất nhng đi với vận tôc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn
nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đờng parabol ( g=2) thì
đờng đi của tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng
nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. Ví dụ độ chênh lệch
thời gian truyền qua 1 km chỉ khoảng 1ns.
Cũng cần li ý rằng góc mở ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r

vì n
1
cũng là hàm của n
1
(r).

sin(r) = n
1
(r) n
2
2
=NA 1- NA
Trên trục sợi : r=a thì
(0)
=
max
.
14
n
1
1 - ; r a
n
2
; a < r b
r
2
a
r
2
a

Trên mặt giao tiếp : r=a thì thì
(a)
=0.
2.5.3 các dạng chiết suất khác.
Các dạng chiết suất SI và GI đợc dùng phổ biến. Ngoài ra còn một số
dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng yêu cầu đặc biệt nh :
a. Dạng chiết suất trong lớp bọc (H2. 7a).
Trong kĩ thuật chế tạo quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải thêm
vào đó nhiều tạp chất nhng điều này làm tăng độ xuy hao. Dạng giảm chiết suất
lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất nhng có chiết suất lõi n
1
không cao.
b. Dạng dịch độ tán sắc. (H2. 7b).
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu nhau ở bớc sóng gần
1300nm. Ngời ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng 1550nm
bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất nh trên.
c. Dạng san bằng tán sắc.
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bớc
sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kĩ thuật ghép kênh theo bớc sóng, ngời ta dùng
sợi quang có dạng chiết suất nh hình trên dạng chiết suất này khá phức tạp nên
hiện nay mới chỉ đợc áp dụng trong phòng thi nghiệm chứ cha đa ra thực tế.
2. 6 Sợi đa mode và sợi đơn mode.
15
Có hai hớng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang. Một hớng
dùng lý thuyết tia sáng một dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thông thờng lý
thuyết tia đợc áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung song có những khái niệm
không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác và khi đó ngời ta
phai dùng đến lý thuyết sóng. Mode sóng là một trong những khái niệm đó.
Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi.
Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đờng, trạng thái ổn định của các đ-

ờng này gọi là mode. Có thể hình dung gần đúng là một mode ứng với một tia
sáng.
Các mode sóng đợc kí hiệu là LP
v
à
.
Với v= 0,1,2,3. . . và à=1,2,3,. . . Mode thấp nhất là LP
01
.
Số mode truyền đợc trong sợi phụ thuộc vào thông số của sợi trong đó có
thừa số V :

V= a.NA = k. a. NA.

Trong đó : a : Bán kính lõi sợi.
: Bớc sóng.
K =2/ : Thừa số sóng.
NA : Khẩu độ số
Một cách tổng quát, số mode N truyền trong sợi đợc tính gần đúng nh
sau :
N=
.


Trong đó :
v: thừa số v.
g: số mũ trong hàm chiết suất.
16
v
2

2
g
g+2
2

Số mode truyền đợc trong sợi chiết suât nhảy bậc (SI) với g=2 thì số
mode là :

N=
2.6.1 Sợi đa mode. (MM :Multi- mode).
Sợi đa mode có đờng kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số
mode N cũng lớn.
Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125àm) là :
Đờng kính lõi : d= 2a = 50àm.
Đờng kính lớp bọc : D=2b = 125àm.
Độ lệch chiết xuất : = 0,01 = 1%.
Chiết suất lớn nhất của lõi :n
1
=1,46.
Nếu làm việc ở bớc sóng = 0,85àm. thì :
V = .a.NA = .a.n
1
. 2 = 38

Và mode truyền trong sợi là : (Nếu là sợi SI )
N = = 726
Sợi đa mode có chiết suất nhẩy bậc hoặc chiết suất giảm dần (H2. 8 )
17
v
2

4
2


2


=n
1
+n
2
/n
1
=1%
50àm
125àm 125àm
n
n
1
n
2
R R
n
2
n
n
1
50àm
MM S I
V

2

2
2.6.2. Sợi đơn mode (SM : single Mode ).
Khi kích thớc lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản (LP
01
) truyền đợc
trong sợi thì sợi gọi là sợi đơn mode. Trên lý thuyết sợi làm việc ở chế độ đơn
mode khi thừa số V< V
c1
=2,405.
Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đờng
truyền bằng không và sợi đơn mode có chiết suất phân bố nhẩy bậc (H2. 9 ).
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là :
- Đờng kính lõi : d= 2a =9àm -10 àm.
- Đờng kính lớp bọc : D=2b =125 àm.
- Độ lệch chiết suất =0,003= 0,3%.
- Chiết suất lõi : n
1
=1,46.
18
Hình 2. 9 kích thước sợi đơn mode
0,9àm
o
n
2
=0,3%
n
1
Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode sẽ đợc phân tích. ở đây chỉ so

sánh những thông số nổi bật của hai loại sợi này. Độ tán sắc của sợi đơn mode
nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (Kể cả sợi GI ), đặc biệt là ở bớc sóng
r=1300nm. Độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( 0 ). Do đó dải thông của
sợi đơn mode rất rộng. Song kích thớc của sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi
kích thớc của các linh kiện quang cũng phải tơng đơng và các thiết bị nối ghép
sợi đơn mode cũng phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều
có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode đợc dùng phổ biến.
2. 7 Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang.
a. Suy hao do tạp âm :
Hấp thụ nảy sinh là do ba cơ chế khác nhau gây ra.
- Hấp thụ do tạp chất : Trong thuỷ tinh thông thờng, các tạp chất nh nớc
và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt,
crom, coban, đồng và các ion OH. Sự có mặt của các tạp chất này làm suy hao
đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi làm bằng thuỷ tinh nh các lăng kính thông thờng
thì suy hao nên tới vài nghìn dB/km. Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bớc
sóng khoảng 2,7àm và cùng với tác động của Silic, nó tạo nên các đỉnh hấp thụ.
Giữa các đỉnh này có các vùng xuy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn
850nm, 1300nm,1550nm, mà các hệ thống thông tin đã dùng để truyền dẫn tín
hiệu ánh sáng.
Hấp thụ vật liệu : Có thể thấy rằng hoạt động ở bớc sóng dài hơn sẽ cho
suy hao nhỏ hơn là hoàn toàn chính xác. Nhng các liên kết nguyên tử lại có liên
quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bớc sóng dài, trờng hợp này gọi là
hấp thụ vật liệu. Mặc dù bớc sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên
19
ngoài bớc sóng sử dụng, nhng đuôi hấp thụ của nó có ảnh hởng : ở vùng bớc
sóng 1550nm không bị suy hao một cách đáng kể.
Hấp thụ điện tử : Trong vùng cực tím ánh sáng bị hấp thụ do các photon
kích thích các điện tử trong nguyên tử nên một trạng thái năng lợng cao hơn
(Mặc dù đây là một dạng hấp thụ vật liệu, nhng tác động qua lại xảy ra trong
nguyên tử ). Đối với sợi SiO

2
đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14àm, tuy
nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1àm, vì vậy nó cũng gây ra suy hao nhỏ ở
cửa sổ truyền dẫn.
b Suy hao do tán xạ.
Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ
của lõi sợi gây ra. Đó là do có những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không
đồng đều về cấu trúc hoặc trong quá trình chế tạo sợi. Nh vậy trong cấu trúc sợi
bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và thấp hơn giá trị mật độ trung bình.
Ngoài ra, do thuỷ tinh đợc tạo ra từ vài loại oxit nh SiO
2
, GeO
2
và P
2
O
5
cho nên
sự thay đổi thành phần vẫn có thể sảy ra. Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi
chiết suất, chúng tạo ra ánh sáng Rayliegh chỉ có ý nghĩa khi bớc sóng ánh sáng
cung cấp với kích thớc cơ cấu của tán xạ. Trong thực tế suy hao làm giảm đi
một phần công suất của bớc sóng, vì thế hệ thống làm việc ở bớc sóng dài ngày
đợc quan tâm nhiều.
Độ suy hao của tán xạ Rayliegh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bớc
sóng . . . , nên giảm mạnh theo chiều tăng của bớc sóng. Giá trị suy hao này
đáng kể ở vùng bớc sóng dới 1àm.
ở bớc sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayliegh của sợi Silic khoảng 1-2
dB/km và bớc sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3 dB/km, ở bớc sóng 1550nm
thì suy hao này còn thấp hơn nữa.
Cần li ý rằng tán xạ Rayliegh là một nguyên nhân gây ra suy hao cho sợi

quang nhng hiện tợng này đợc ứng dụng để đo lờng trong các máy đo quang
dội.
20
c. Suy hao do sợi quang bị uốn cong.
Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữi ) của
sợi. Khi bất kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một đờng cong có bán kính
xác định thì sẽ có hiện tợng phản xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và nh vậy ánh
sáng trong lõi sợi sẽ bị suy hao.
+. Uốn cong vĩ mô : là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tơng đơng
hoặc lớn đờng kính sợi.
+ Vi uốn cong : Là sợi cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trờng hợp này sảy
ra khi cáp đợc bọc thành sợi.
Sự suy hao này xuất hiện khi tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi
uốn cong đó. Một cách chính xác hơn sự phân bố trờng bị xáo trộn khi đi qua
những chỗ vi uốn cong đó và dẫn tới sự phản xạ năng lợng ra khỏi lõi sợi.
Đặc biệt là sợi đơn mode là rất nhạy khi đi qua những chỗ vi uốn cong
đó, nhất là về phía bớc sóng dài.
d. Tán sắc.
Tơng tự tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị biến
dạng. Hiện tợng này gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và
làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital. Sự tán sắc làm hạn chế dải thông
của đờng truyền quang.
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang,kí hiệu D, đơn vị (s) đợc xác định bởi
:
D=
Trong đó
0
,
1
là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị của

0
,
1
là
giây (s) hoặc là ớc số của nó.
Đối với tán sắc do chất liệu ngời ta đánh giá trên mỗi km sợi quang tơng
ứng đối với nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị đợc tính là
ps/nm. km.
Có ba loại tán sắc trong sợi quang :
+ Tán sắc mode : (Modal Dispersion).
21
Tán sắc phụ thuộc vào kích thớc, đặc biệt là đờng kính lõi sợi, nó tồn tại
trên các sợi đa mode do các mode khác nhau lan truyền theo các đờng khác
nhau làm cự ly trên đờng đi là khác nhau do đó thời gian truyền là khác nhau.
Các sợi đơn mode không có sự tán sắc mode.
+ Tán sắc vật liệu :
Tán sắc vật liệu là một hàm của bớc sóng và có sự thay đổi chỉ số chiết
suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó gây ra sự phụ thuộc của bớc sóng vào vận tốc
nhóm của bất kỳ mode nào.
+ Tán sắc dẫn sóng :
Sự phân bố năng lợng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bớc sóng.
Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng.
Tán sắc do ống dẫn sóng rất nhỏ và chỉ chú ý tới sợi đơn mode.
+ Độ tán sắc tổng cộng của sợi đa mode đợc tính theo công thức sau :
D
t
=
0
2
.

1
2
Trong đó D
t
là độ tán sắc tổng cộng.
D
t
= D
2
mod
+D
2
chr
Với D
chr
= D
mat
+D
wg
D
mod
là độ tán sắc mode.
D
chr
là độ tán sắc thể. (cũng là độ tán sắc tổng cộng trong sợi ).
D
mat
là độ tán sắc chất liệu.
D
wg

là độ tán sắc ống dẫn sóng.
f. Suy hao đấu nối và ghép.
Suy hao đấu nối và ghép không phải do đặc tính của sợi cáp mà do đặc
tính của tuyến cáp thông tin quang gây ra nó là tổn hao ở các mối ghép và mối
hàn.
Trong sợi quang ánh sáng cũng bị tổn hao tại các mối hàn giữa hai đoạn
cáp hay giữa hai mối ghép. những nguyên nhân cơ bản là :
+ Sự khác nhau giữa hai bán kính hai sợi cáp.
+ Chất lợng bề mặt cuối hai đầu sợi cáp.
+ Bán kính phần tiếp giáp không tròn đều.
22
+ Hệ số tiếp giáp giữa các vùng ghép không phù hợp.
Ngời ta tính đợc suy hao tại các mối hàn trung bình nằm trong khoảng
0,05dB tới 0,13dB tại các mối ghép thì suy hao lớn hơn lên tới 0,7dB tới 1,5dB.
CHƯƠNG III
KHáI QUáT Hệ THốNG THÔNG TIN SợI QUANG.
3. 1 Cấu hình của hệ thống :
Cấu hình cơ bản của các hệ thống đợc mô tả ở dới hình 3. 1
Nói chung tín hiệu gửi đi từ máy điện thoại và máy fax đợc biến đổi từ
tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện - quang. (Các mức tín hiệu điện đợc
biến đổi thành các tín hiệu quang tơng ứng, mức '1' và '0' của tín hiệu điện,
trong trờng hợp đơn giản nhất là bật/ tắt của ánh sáng ) và đa tín hiệu này thành
vào sợi quang. Các tín hiệu truyền lan trong sợi quang tới một bộ biến đổi
quang- điện của phía thu sau khi đã bị suy hao công xuất và trải rộng dạng sóng
khi đi qua đờng truyền này. Tại bộ biến đổi quang- điện, các tín hiệu quang đợc
biến đổi thành tín hiệu điện. Nh vậy các tín hiệu gốc của thoại, số liệu và fax sẽ
đợc phục hồi và đợc gửi tới đầu máy thu.
23
Bộ biến đổi điện- quang có thành phần chính là các linh kiện phát sóng
nh diode laser hoặc diode phát quang và bộ biến đổi quang điện có thành phần

chính là các linh kiện thu ánh sáng nh photodiode. Khi khoảng cách truyền dẫn
lớn thì cần phải đặt các trạm lặp đờng dây tại các điểm trung gian của tuyến
truyền dẫn. Bộ lặp này biến đổi các tín hiệu quang đầu vào thành các tín hiệu
điện và khuếch đại chúng, sau đó lại biến đổi tín hiệu điện đã khuếch đại chúng
thành tín hiệu quang.






Hình 3. 1 - Cấu hình hệ thống thông tin sợi quang.
Để hiểu rõ hơn về một hệ thống thông tin sợi quang, sau đây là những
khái niệm về đoạn và tuyến.
3.1.1 Khái niệm về đoạn và tuyến.
a) Đoạn (Section ).
Trong hệ thống truyền dẫn có hai loại đoạn, đó là đoạn lặp và đoạn ghép.
Hình 3. 2 đa ra sơ đồ xác định đoạn lặp và đoạn ghép :
24
TE/
ADM
TE/
ADM
REG REG
Đoạn lặp
Đoạn lặp
Đoạn lặp
Đoạn ghép
E/O
O/E

E/O
O/E
Sợi quang Sợi quang
Trạm lặp đường dây
Bộ biến đổi điện-quang
Bộ biến đổi quang-điện
Hình 3. 2 -Sơ đồ xác định đoạn lặp đoạn ghép.
Đoạn lặp là đoạn truyền dẫn giữa hai trạm gần nhau giữa trạm lặp và thiết
bị ghép hoặc thiết bị xen/rẽ.
Đoạn ghép là đoạn truyền dẫn giữa hai thiết bị đầu cuối (TE) hoặc giữa
hai thiết bị xen rẽ (ADM), hoặc giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị xen rẽ.
b) Tuyến (Part). Tuyến là khoảng nối logic giữa một điểm tại đó một
VC - n đợc hình thành và một điểm khác tại đó VC - n đợc kết cuối. Một tuyến
đợc xem nh một ống truyền dẫn đi ngang qua một số đoạn ghép và nối trực tiếp
giữa hai điểm để chuyển dịch Vn.
Khoảng nối giữa hai VC -1 hoặc hai VC -2 đợc gọi là tuyến bậc thấp.
Khoảng nối giữa hai VC -3 hoặc hai VC- 4 đợc gọi là tuyến bậc cao.
25
Đoạn ghép
Đoạn lặp
Đoạn lặp
Tuyến
VC
VC
VC
VC