Hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang

Lời nói đầu:
====***====
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đa
vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi ngời đều thừa nhận rằng phơng thức
truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các
dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ
thống thông tin quang với những u điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin
cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin
quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đờng
trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng
của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện
tại và tơng lai.
Trong vòng mời năm qua, cùng với sự vợt bậc của công nghệ điện tử ,
viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vợt
bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trên
nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã đợc khai thác phổ biến
trên mạng lới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó.
nh ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng
phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trớc với
một tiền đồ rộng lớn, nội dung cuốn sách Đồ án tốt nghiệp. Này chỉ nói đợc
một phần trong sợi quang nên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong
các thầy cô giúp đỡ nhiều. Em xin chân thành cảm ơn.
Trang 1

CHƯƠNG I :
Tổng quan về thông tin quang.
1.1 tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang.
Từ xa xa loài ngời đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín
hiệu khói hay ánh sáng phản xạ ra gơng....

ý tởng truyền ánh sáng trong sợi thuỷ tinh có thể coi bắt nguồn từ thí
nghiệm về suối ánh sáng của john Tydll ở anh vào thế kỷ thứ 19
( năm1870).Ngời ta quan sát ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể truyền
qua một dòng nớc hẹp do hiện tợng phản xạ toàn phần .
Các thí nghiệm đầu tiên về truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tin đợc thực
hiện ở đức vào năm 1930. Do các sợi thuỷ tin lúc bây giờ chỉ có một lớp chiết
xuất nên dễ gãy và suy hao rất lớn .
Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đã cho phép phát triển những ứng
dụng mới trên sợi quang.Sau khi laser ra đời, ngời ta đã thực hiện những hệ
thống thông tin quang thử nghiệm ,lấy không khí làm môi trờng truyền dẫn nh
thông tin bằng sóng vô tuyến. Nhng việc truyền ánh sáng trong không khi thờng
bị hạn chế bởi điều kiện hạn chế do tính truyền thẳng của tia cũng nh các điều
kiện thời tiết nh ma bão, sơng mù,nhiệt độ thay đổi..., làm cho thông tin mất ổn
định hơn sóng vô tuyến .Ngời ta dự tính có thể truyền qua những khoảng cách
xa nhờ sợi quang, nhng suy hao của sợi quang ở thời điểm này là rất lớn
( 1000dB/km vào năm 1967 ). Do vậy ,việc sử dụng sợi quang chỉ là hạn chế ở
những khoảng cách ngắn và trong phòng thí ngiệm .
Vào năm 1970 ngời ta chế tạo thành công sợi quang bằng Silic có suy hao
20 dB/km.
Năm 1976 ,hệ thống thông tin bằng sợi quang dài 10km lần đầu tiên đợc
lắp đặt tại Atlanta (Mỹ) với tốc độ 45Mbit/s .
Với những tiến bộ đạt đợc trong việc chế tạo các linh kiện vi điện tử , điện
quang và những công nghệ mới nh khuếch đại quang, ghép kênh theo bớc sóng,
Trang 2

đã giúp chúng ta thực hiện các hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến 40 G bit/ s
với cự li đến hàng nghìn Km (tuyến SEA - ME - WE 3)
Các hệ thống truyền dẫn quang không những đợc sử dụng ngày càng nhiều
trong mạng viễn thông mà còn thêm nhiều ứng dụng trong hệ thống công
nghiệp và dân dụng .

1.2.Các u điểm và nh ợc của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang
a).hệ thống truyền dẫn quang có những u điểm sau:
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 THz ở nm) và suy hao thấp (0,2 0,25
dB / KM ở bớc sóng 1550nm). độ rộng băng tần lớn và suy hao thấp điều này
cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li rất xa.
Sợi quang không bị ảnh hởng của nhiễm điện từ .
Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị rò sóng điện từ nh cáp kim
loại. Sợi quang có kích thớc nhỏ, không bị ăn mòn bởi a xit, kiềm, nớc có độ
bền cao.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit
cao hơn bằng cách thay đổi bớc sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh. b).Nhợc
điểm của hệ thống truyền dẫn quang:
- Không truyền dẫn đợc nguồn năng lợng có công suất lớn , chỉ hạn chế ở
mức công suất cở vài miliwat.
- Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li hệ
thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ
thống dùng cáp kim loại .
- Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo các linh kiện rất tinh vi và đòi
hỏi độ chính xác tuyệt đối là trong việc hàn nối là phức tạp.
- Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian là khó vì không lợi dụng
luôn đợc đờng truyền nh ở trong các hệ thống thông tin điện .
1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong
mạng viễn thông.
Trang 3

1.3.1.Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cờng độ tách sóng
trực tiếp.
Trong hệ thống điều chế cờng độ thu trực tiếp , ngời ta dùng tín hiệu
điện để điều chế cờng độ bức xạ của nguồn quang. ở đầu thu và tín hiệu đợc
tách ra trực tiếp trên diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận đợc .

Các hệ thống truyền dẫn hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên.hệ thống
điều chế cờng độ thu trực tiếp có u điểm là đơn giản, dễ thực hiện do các phần
tử nguồn quang, sợi quang, thu quang đều không đòi hỏi cao về các thông số,
chế độ hoạt động : bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực nhng khi
truyền dẫn ở tốc độ cao từ 2,5 Gbit/s trở lên thì độ nhạy thu bị giảm mạnh,
khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng đợc băng tần rất rộng
của sợi quang ( hàng chục nghìn GHz).
Các hệ thống thông tin quang hiện nay truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn
phân cấp đồng bộ (SDH): 155 Mbit/s 622M bit/s 2500M bit/s và 10Gbit/s. Nhờ
sử dụng các bộ khuếch đại quang, cự li các tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5
Gbit/s trên đất liền đạt khoảng 150 Km . với hệ thống cáp quang thả biển, ngời
ta đã thực hiện tuyến 2,5 Gbit/s có chiều dài 10.073Km trên tuyến sử dụng 199
bộ khuếch đại quang EDFA.(Erbium Doped Fiber Amplifier )
Bộ biến đổi E/0 Bộ biến đổi O/E
Cáp Cáp
Quang Quang
Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến
Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Hệ thông tin quang gồm các thành phần chính :
Trang 4
Khối
ghép
kênh
Bộ
điều
khiển
Nguồn

quang
Trạm

Lặp
Khuếch

đại
Khôi
phục

tín
hiệu
Khối
Tách
Kênh
Các
luồng tín
hiệu điện
Các
luồng tín
hiệu điện

Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp
(2Mbit/s, 34Mbit/s, 140M bit/s,158Mbit/s..)thành luồng tín hiệu có tốc độ bit
cao hơn và ngợc lại .
Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều
biến các tín hiệu thành các tín hiệu quang để truyền vào sợi quang .
Các hệ thống thông tin quang coherent trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý
điều pha hoặc điều tần tín hiệu quang.
Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng.
Trạm lặp : Hoặc là bộ khuếch đại quang đối với tuyến có tín hiệu dài .
Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín
hiệu điện , khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu .

Các hệ thống thông tin quang đã phát triển qua 4 thế hệ:
Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( Step Index SI ) và
chiết suất biến đổi ( Graded Index GI ), hoạt động ở bớc sóng 850nm. Linh
kiện thu, phát thờng đợc sử dụng là LED và diode PIN.
Thế hệ 2:Sử dụng sợi quang đa mode, GI, hoạt động ở bớc sóng 850n
mvà 1300nm. Nhờ sử dụng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ
2 có thể truyền hàng chục Mbit/s qua cự ly vài chục km (B.L 1000MHz. Km).
Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bớc sóng 1300nm.
Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao hơn nhiều sợi quang đa
mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 3 có thể truyền tốc độ hàng trăm
Mbit/s qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km.
Thế hệ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bớc sóng 1550nm. ở
hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 4, ngời ta bắt đầu sử dụng các diode
laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố DFB-Ditributed
Feedback ), cho phép truyền tốc độ 2.5Gbit/s qua cự ly 150 200km không
cần trạm lặp.Trong thời gian tới, phơng hớng phát triển chính của công nghệ
thông tin cáp sợi quang tiếp tục phát triển hệ Trong thống IMDD song song với
Trang 5

công nghệ ghép kênh theo bớc sóng, thời kỹ thuật khuếch đại quang sợi ( EDFA
) và kỹ thuật bù tán sắc. Mục đích là tăng tốc độ truyền dẫn lên hàng chục Gbit/
s và cự ly trạm lặp lên hàng trăm km.

Sợi hồng quang- Hệ thống quang
coherent Ghép WDM
1000 Hớng trong tơng lai
DFBLD-( hồi tiếp phân bố)
1500nm
100
1300nm

10 850nm

sợi đa mode sợi đơn mode
1
0.01 0.1 1 10 100
tốc độ bit (G bit/sd )

Hình 1.2. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang.
1.3.2. Hệ thống thông tin quang Coherent:
Độ nhạy thu( dBm )
thu trực tiếp
Trang 6

-40
thu Coherent
-60
-80
10
2
10
3
10
4

Tốc độ đờng truyền ( Mbit/s )
Hình 1.3. Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ đờng truyền .

Từ nhiều năm nay, ngời ta đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm vể hệ
thống thông tin quang coherent. các u điểm nổi bật của hệ thống thông tin

quang coherent so với. Hệ thống điều chế trực tiếp cờng độ ánh sáng là :
Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15-20dB. Điều này cho phép tăng cự li
truyền dẫn không cần trạm lặp từ 75-100km.
Nâng cao năng lực truyền dẫn nhờ khả năng sử dụng kỹ thuật ghép kênh
theo tần số (FDM). với kỹ thuật FDM, chúng ta có thể sử dụng một băng thông
rộng khoảng 20.000Ghz (ở bớc sóng 1500mm-1600mm). Tơng đơng với khả
năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại trên một đôi quang.
Sơ đồ một hệ thống coherent có thể biểu diễn nh hình
Vẽ:
Tín hiệu vào
Trang 7

Diode Điều Bộ khuếch đại
Laser chế ngoài Cáp sợi quang quang
Điều Khối thu Mạch Khuếch Tín hiệu ra
khiển quang trung tần đại và giải
phân cực điều chế
Bộ dao
động nội

Hình 1.4 Sơ đồ một hệ thống thông tin quang coherent

ở đầu phát : tín hiệu quang đợc điều chế trên nguyên lý dịch pha PSK
PSK: hoặc khoá dịch tần FSK kỹ thuật FSK cho PHép giảm độ thu xuốnh
2-3dB, nhng yêu cầu bề rộng phổ của nguồn phát rất hẹp (tỷ số bề rộng phổ/tốc
độ truyền 10
-4
) trong khi kỹ thuật FSK yêu cầu tỷ số bề rộng phổ/ tốc độ
truyền 10
-1

).
Sợi quang: Sợi quang dùng trong hệ thống coherent có thể là loại sợi
quang đơn mode thông thờng hoặc sợi đơn bảo toàn phân cực .
Nếu sử dụng sợi đơn mode thờng, trớc bộ thu ta cần sử dụng bộ điều chỉnh
phân cực .
Khối thu: Trong hệ thống coherent , khối thu đợc chia thành hai loại
Trang 8

heterodyne và homodyne. ở đầu thu, tín hiệu thu đợc trộn với tín hiệu dao động
nội. trong bộ thu heterodyne, tần số bộ dao động nội khác tần số của tín hiệu
tới. đối với bộ thu homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số tín hiệu
Kỹ thuật thu hemodyne nhạy hơn thu hemodyne khoảng 3 dB nhng rất khó
thực hiện bởi tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu đợc. Hệ
thống thông tin quang kết hợp sẽ đợc phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng chục
Gbit/s trở lên qua những khoảng cách rất xa nhng cha đợc sử dụng trong thực tế
do những khó khăn về công nghệ chế tạo và giá thành .
1.4. XU H ớng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp
sợi quang:
Các nghiên cứu về truyền dãn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục
tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và cự li tăng giữa các khoảng lặp .
Các hớng phát triển của kỷ thuật thông tin cáp sợi quang hiện nay là:
1.4.1.Sự dụng kỹ thuật phân kênh theo bớc sóng ( WDM ):
Trong hệ thống ghép kênh theo bớc sóng, ngời ta sử dụng nhiều nguồn
quang (thờng là laer hồi tiếp phân bố DFB có bề rộng phổ rất hẹp ), hoạt động
ở các bớc sóng khác nhau. khoãng cách giữa các kênh đợc chọn phụ thuộc vào
sự ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của bộ
ghép kênh /tách kênh, chẳng hạn là nm. Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bớc
sóng đợc mô tả (hình vẽ 1.5 ).
Trong khoảng từ bớc sóng 1545.6nm 1570.6nm , ngời ta có thể ghép đ-
ợc 18 kênh, nếu mỗi kênh truyền 2.5 Gbit/s, tơng đơng 30 240 kênh thoại hệ

thống sẽ có khả năng truyền 500 000 kênh thoại trên một đôi quang
Hiện nay ngời ta đã thực hiện đợc hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc
độ 40 Gbit/s bằng cách ghép kênh theo bớc sóng 16 luồng tốc độ 2.5 Gbit/s
DBF1

1
Trang 9
To Op
DBF18

MUX

DEMMUX

1

DBF2

2



18

18

Single- Mode Fiber
-10

1

= 1,527nm
18
= 1,561nm
-20 2nm
-30
-40
-50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1,544.5 1,510.5 1,540.5
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bớc sóng
1.4.2.Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật
phân kênh theo tần số ( FDM Frequency Division Multiplex).
Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn còn lớn hơn rất hiều so với
kỹ thuật. Ghép kênh theo bớc sóng. khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống
ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 5GHz( tơng đơng 0.04nm ở bớc sóng
1550nm), trong khi giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng
khoảng 250 GHz tức 2nm.Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2.5 Gbit/s, ta có thể
truyền một dung lợng tơng đơng30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh thoại trên một
đôi sợi quang.
Trang 10

2


CHƯƠNGII:
CáC THÔNG Số CủA SợI QUANG
2.0.Giới thiệu cấu trúc tổng thể về sợi quang.
Cấu trúc của sợi quang nh (hình2.0), gồm một lõi thuỷ tinh hình trụ tròn
và vỏ thuỷ tinh bao quanh lõi. Lõi thuỷ tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ
Trang 11

thuỷ tinh có tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp lõi và vỏ. Muốn
vậy chỉ số khúc xạ hay gọi là chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ.
2a d lõi
vỏ
Hình 2.0.Cấu trúc tổng thể của sợi quang.
Tuỳ từng loại sợi mà có sự phân bố chiết suất khác nhau trong lõi sợi. Nếu
chiết suất phân bố đồng đều thì đợc gọi là sợi chiết suất bậc, nếu sợi phân bố
theo quy luật tăng dần thì gọi là sợi chiết suất giảm dần. Kích thớc của sợi phụ
thuộc vào loại sợi, loại thứ nhất có đờng kính 2a = 50àm gọi là sợi đa mode,
loại thứ hai lõi có đờng kính 2a

10àm goi là sợi đơn mode. Đờng kính vỏ
( d ) của các loại sợi đều bằng 125àm. Tổng hợp cả phân bố chiết suất và kích
thớc của lõi để chia thành ba loại sợi, đó là sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa
mode chiết suất giảm dần, và sợi đơn mode( chiết suất bậc).
2.1.Lý THUYếT Về SợI QUANG :
Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang:
Có thể nói chung nhất có thể coi ánh sáng là: một chùm các phần tử hạt rất
bé đợc phát ra từ một nguồn sáng . các phần tử này đợc hình dung nh đang đi
theo một đờng thẳng và có thể thâm nhập vào môi trờng trong suốt nhng lại bị
phản xạ khi gặp các môi trờng đục.
a). Chiết xuất của môi trờng :
Trang 12

Chiết xuất của môi trờng đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
truyền trong chân không và vận tốc của ánh sáng ấy .
n = c/v ( 2.1 )
n: chiết xuất môi trờng , không đơn vị.
c: vận tốc ánh sáng truyền trong chân không , đơn vị m/s.

v : vận tốc ánh sáng truyền trong môi trờng , đơn vị m/s.
Vì v c nên n 1.
1,50
1,49
1,48 n
g
= n -

d
dn

1,47
1,46
1,45
1,44 n
1,43
0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 2,0 ( à )
Hình 2.1. Sự thay đổi chiết suất n
&
chiết suất nhóm n
g
theo

Chiết xuất của vài môi trờng thông dụng :
không khí : n = 1,00 có thể đợc xem bằng 1
Nớc : n = 1,33
Thuỷ tinh : n = 1,49 1,50
Chiết xuất của môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng truyền
trong nó
b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng :

Tổng quát , khi tia sáng truyền trong môi trờng 1 đến mặt phân cách
Trang 13

đến môi trờng 2 thì tia sáng đợc tách thành hai tia mới: một tia phản lại môi tr-
ờng 1 và một tia khúc xạ vào môi trờng 2 . tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ
với tia tới nh sau :
Cùng nằm trong một mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa tia tới và pháp
tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới ); Góc phản xạ bằng góc tới :
1
=
2
Góc
khúc xạ đợc xác định từ công thức Snell:
n
1
sin
1
= n
2
sin
2
( 2.2 )
Tia tới pháp tuyến tia phản xạ


1


1
Môi trờng 1 : n

1

1
Mặt ngăn cách
Môi trờng 2 : n
2

2

2

Tiakhúc xạ
Hình . 2.2. hiện tợng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
c). 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 gãy về phía gần pháp tuyến .
Nếu n
1
> n
2
thì
1

<
2
: Tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn.
Trong trờng hợp n
1
> n
2
nếu tăng q
1
thì q
2
cũng tăng và q
2
luôn luôn lớn
hơn q
1
. khi
2
=90
o
, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì
1
đợc gọi
là góc tới hạn q
c
. Nếu tiếp tục tăng
1
>
c
thì không còn tia khúc xạ nữa mà chỉ

còn tia phản xạ ( hình 2.2 )
Trang 14

Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng ( công thức Snell ) với
2
= 90
0
có thể
tính đợc góc tới hạn
c
:
Sin
c
=
1
2
n
n
hay
c
=
1
2
n
n

Ví dụ : Góc tới hạn giữa thuỷ tinh ( n
1
= 1,50 ) và không khí ( n
2

= 1 )
đợc tính
Sin
c
=
1
2
n
n
=
50,1
1
0,66
c
41
0

Phát tuyến
Tia tới 2 3
c
1 Tia phản xạ
1
1
n
1
1 2
Mặt ngăn cách ( n
1
> n
2

n
2


2
3 Tia khúc xạ

Hình 2.3. Sự phản xạ toàn phần.
2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang :
a. Nguyên lý truyền dẫn chung.
T
n
2

n(r) Lớp vỏ
n
1

Trang 15

Lớp lỏi
n
o
Lớp vỏ

Hình 2.4.. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang
ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sơi quang đợc chế tạo thành một
lỏi ( core) bằng thuỷ tinh có chiết xuất n
1
và một lớp vỏ phản xạ ( hình2.4) ánh

sáng truyền trong lỏi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần( phản xạ toàn phần ) trên
mặt tiếp giáp giữa lỏi và vỏ phản xạ. do đó ánh sáng có đợc truyền trong sợi có
cự li dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhng với một độ cong có giới hạn. b).
Khẩu độ số: ( Numerical Aperture ):
Sự phản xạ toàn phần chỉ xẫy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi
nhỏ hơn góc tới hạn
c
(hình 2.5). sin của góc tới hạn này đợc gọi là khẩu độ
số , ký hiệu NA; NA = sin
c
( 2.3 )
3 n
1

B 2
A
c
1 n
1

max

n
1
n
2

Hình .2.5. Đờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
áp dụng công thức Snell tính NA:
Tại điểm A đối với tia 2:

n
o
sin
max
= n
1
sin (90
o
-
c
)
Mà : n
o
= 1 (chiết xuất của không khí ).
Sin (90
o
-
c
) = cos
c

Trang 16

Sin (90
o
-
c
) =
c

2
sin1
=
1
2
2
2
1
n
n

, vì sin
c
=
1
2
n
n
Do đó : NA = sin
max
=
2
2
1
2
nn
n
1
2 ( 2.4 )
Trong đó : =

1
2
2
2
1
2
2n
nn

1
21
n
nn
: độ chênh lệch chiết suất tơng đối
Độ chênh lệch chiết suất tơng đối có giá trị khoảng từ 0,1đến 0,3
(tức là từ 1ữ3% ).Đối với sợi đa mode.0,2ữ1,0% đối với sợi đơn mode.
2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang:
Cấu trúc chung của sợi quang bao gồm một lỏi bằng thuỷ tinh có chiết suất
lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhng có chiết suất nhỏ hơn . chiết
suất trong lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất trong lỏi, nói chung thay đổi
theo bán.kính ( khoảng cách tính từ trục của sợi ra ). Sự biến thiên chiết suất
theo bán kính đợc viết dới dạng tổng quát nh sau :

( )
( ) ( )

=















=
21
2/1
1
1
121
1
nnn
a
r
n
rn

g
bra
ar



Trong đó : n
1
: chiết suất lớn nhất của lỏi.
n
2
: chiết suất lớp bọc .

1
21
1
2
2
2
1
2
2
n
nn
n
nn



=

: độ chênh lệch chết suất .
r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất .
A : bán kính lỏi sợi .
B : bán kính lớp bọc.
g : số mủ định biến thiên , g 1 .
Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác .
g = 2 : dạng parabol.
g = : dạng nhảy bậc.
Trang 17

Đờng biểu diễn các dạng phân bố chiết suất nh hình ( 2. 6 ).
n
max
=n
1
n(r) g =
g=1 g=2
b a 0 a b
Hình 2.6. Các dạng phân bố chiết suất .
a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( SI : Step Index ) :
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giãn nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc
khác nhau một cách rõ rệt nh hình bậc thang . các nguồn quang phóng vào đầu
sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đờng khác nhau nh hình 2.7 .
khôngkhí
b
a n
2
n(r) n
2
< n

1
o 1 n
1
a n
1
2 3
b n
2

r n
0
Hình 2.7. Truyền ánh sáng trong sợi quang SI.
Các tia sáng truyền trong lỏi sợi cũng có vận tốc ( vì V
ph
= C/n
1
,ở đây n
1
không đổi ) mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau
trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện tợng : khi đa một xung vào
đầu sợi lại nhận đợc một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do hiện tợng tán
sắc ( dispersion ), sẽ đợc đề cập ở phần sau. Nói chung lọai sợi này có chỉ số
chiết suất đồng đều ở lõi sợi nên đợc gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc.
Trang 18

Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua
cự ly dài đợc. Nhợc điểm này có thể khắc phục đợc trong loại sợi có chiết suất
giảm dần .
b)Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi GI : Graded Index ) :
Hình2.8. Các tia sáng truyền trong lõi sợi đa chiết suất Gradient.

( )
( )





=















=
21
2
1
1
1

nn
a
r
n
rn
,
bra
ar


(2.5)
Vì chiết suất này thay đổi một cách liên tục nên các tia sáng truyền trong
lỏi .Bị uốn cong dần. Đờng truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không
bằng nhau nhng vận tốc truyền cũng không thay đổi theo. Các tia truyền xa trục
có đờng truyền dài hơn nhng có vận tốc truyền lớn hơn ( V
ph
= C/n ) và ngợc lại
, các tia truyền gần trục có đờng truyền ngắn hơn nhng vận tốc truyền lại nhỏ
hơn . Tia truyền dọc theo trục có đờng ngắn nhất nhng đi với
vận tốc 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.nói tóm lại loại sợi này 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 chiết suất
Gradien.
c).Các dạng chiết suất khác:
Có hai dạng chiết suất SI và GI đợc dùng phổ biến. Ngoài ra còn có một số
dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng nhu cầu đặc biệt nh :
Trang 19

*Dạng chiết suất lớp bọc ; ( Hình 2.9a )
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải
tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp
bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất nhng có chiết suất lõi n
1
không
cao.
*Dạng dịch độ tán sắc : ( Hình 2.9b )
Nh sẽ phân tích sau này , độ tán sắc của sợi quang triệt tiêu ở bớc sóng gần
1300nm . Ngời ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng 1500nm
bằng cách dùng sợi quang có chiết suất nh ( Hình 2.8b).
*Dạng san bằng tán sắc : ( Hình 2.9c )
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoãng bớc
sóng. chẳng hạn đáp ứng cho kỷ thuật ghép kênh theo bớc sóng ngời ta dùng sợi
quang có chiết suất nh (hình 2.9c). Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện
nay chỉ mới áp dụng trong phòng thí nghiệm cứ cha đa ra thực tế .
A b c
Hình 2.9. Các dạng chiết suất đặc biệt.

2.1.4. Sợi đa mode và đơn mode
Có hai hớng khảo sát truyền ánh sáng trong sợi quang : một hớng dùng lý
thuyết tia sáng và một hớng dùng lý thuyết sóng ánh sáng . thông thờng lý
thuyết tia đợc sử dụng vì nó đơn giãn, dễ hình dung. song cũng có những khái
niệm không thể dùng lý thuyết tia đễ diễn tả một cách chính xác, ngời ta phải
dùng đến lý thuyết sóng. mode là một trong những khái niệm đó .
Trang 20

Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ có thể áp dụng các phơng trình
Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang đễ xác định biểu thức sóng
truyền trong nó. Dựa trên biểu thức đã xác định có thể phân tích các đặc điểm

truyền dẫn sóng. trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bớc giải ph-
ơng trình mà chỉ nêu các thông số rút ra từ kết quả có liên quan



2
=V
. a . NA = K . a . NA
Đến đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang . một mode song là một trạng thái
truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. khi truyền sợi trong ánh sáng đi theo
nhiều đờng , trạng thái ổn định của các đờng này gọi là những mde . có thể hình
dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. các mode đợc ký hiệu : LP
V
à
VớI V = 0,1,2...
Và à = 1,2 ..mode thấp nhất là LP
01
.
Số mode truyền đợc trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó
có thừa số V .
Trong đó a : Bán kính lỏi
: Bớc sóng , K là số sóng


2
=K

NA : Khẩu độ số
Vậy số mode N truyền trong sợi đợc tính gần đúng nh sau:

2
*
2
2
+

g
gV
N
Trong đó :
V: Thừa số V
g : Số mũ trong hàm chiết suất
Số mode truyền đợc trong sợi chiết suất bậcSI là g:

2
2
V
N
Trang 21

Với sợi có chỉ số chiết suất giảm dần g = 3 thì số mode là:

6
2
V
N
Tóm lại : sợi có thể truyền đợc nhiều mode đợc gọi là đa mode, sợi chỉ
truyền đợc một mode gọi là đơn mode .
a)Sợi đa mode:
Sợi đa mode có đờng kính lõi và khẩu độ số lớn nên có thừa số V và số

mode N lớn. các thông số của loại đa mode thông dụng là :
125àm 125àm
n n
n
1
n
0
n
2
n
0
n
2
n
0

x x
sợi SI sợi GI
Hình 2.10. Kích thớc sợi đa mode .
Đờng kính lõi d = 2a 50 à m
Đờng kính lớp bọc D = 2b 125 à m
Độ lệch chiết suất 1%
Chiết suất lớn nhất của lõi n
1
1,45
Sợi đa mode có thể là chiết suất bậc hoặc chiết suất giảm dần ( hình 2.10 )
b). Sợi đơn mode:
Khi giảm kích thớc lõi sợi đễ chỉ có một mode sóng cơ bản truyền đợc
trong sợi thì sợi đợc gọi là sợi đơn mode . trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ
đơn mode khi thừa số V < v

c1
= 2,402.
Trang 22
50àm 50àm

Vì chỉ có một mode truyền sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc đo nhiều
đờng truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất bậc
( hình 2.11.)
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là :
Đờng kính lõi d = 2a = 9à m ữ 10àm
Đờng kính lớp bọc D = 2b = 125 àm
Độ lệch chiết suất 0,3 %
Chiết suất lõi n
1
1,45

n
0
n
2
n
1
n

125àm
= 0,3%
Hình 2.11. Kích thớc sợi đơn mode.
Độ tán sắc của sợi đơn mde nhỏ hơn nhiều so với sợi da mode ( kể cả loại
sợi GI) đặc biệt ở bớc sóng = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp
( gần bằng không ). Do đó , dãi thông của sợi đơn mode rất rộng , song vì kích

thớc của sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thớc của linh kiện quang cũng
phải tơng ứng và các thiết bị hàn nối quang cũng có độ hàn nối cao yêu cầu
ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode cũng có thể dùng phổ
biến.
2.2 SUY HAO SợI QUANG:
2.2.1Định nghĩa :
Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu,
đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về
Trang 23






khoãng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng nh xác định cấu hình của hệ
thống thông tin quang.
Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm
số mũ tơng tự tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có
dạng :

-


.
l
P ( L ) = P ( O ) * 10
10
( 2.7 )
Trong đó : P ( O ) : Công suất đầu sợi ( L = O )

P ( L ) : C ông suất cự ly L ( Km ) tính từ đầu
: Hệ số suy hao
Độ suy hao của sợi đợc tính bởi :
A ( dB ) = 10 lg
2
1
P
P
( 2.8 )
Trong đó P
1
= p ( 0 ) : Công suất đa vào đầu sợi
P
2
= P ( L ) : C ông suất ở cuối sợi
( dB / Km ) =
( )
( )
KmL
dBA
( 2.9 )
Hệ số suy hao hay hệ số trung bình :
Trong đó A = Suy hao của sợi
L = Chiều dài của sợi
Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối mà có quan hệ công suất
hoặc mức , do đó phép đo đơn giản hơn.
P
P
1
P

2
L
Trang 24

Hình 2.12. Sự suy giảm công suất của sợi quang
2.2. 2..Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang :
Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi do bị suy
hao do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chổ bị uốn cong. Ngoài ra còn
có thể kể thêm suy hao hàn nối do hiệu suất ghép quang.
a). Suy hao do hấp thụ :
Sự hấp thụ do các tạp chất kim loại : Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh
là một trong những nguồn hấp thụ năng lợng ánh sáng. Các tạp chất thờng gặp
là sắt( Fe ), Đồng ( Cu ), Mangan ( Mn ), Crôm ( Cr ), Coban ( Co ), Niken ( Ni)
Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và
bớc sóng ánh sáng truyền qua nó.Với nồng độ tạp chất một phần triệu thì độ
hấp thụ của vài tạp chất đợc biểu diễn nh hình dới đây :
( dB /km)
600
500
400 Mn Cu
300
200 Fe
100 (àm)
0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Hình 2.13. Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại .
Nh vậy đễ có đợc sợi quang có đọ suy hao đới 1dB / Km cần phải có
thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ .
Sự hấp thụ của ion OH :
Sự có mặt của ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ
đáng kẻ. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở các bớc sóng gần 9950nm, 1240nm và

1400nm. Nh vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao ở
Trang 25