phương pháp đo trên cáp sợi quang và hệ thống truyền dẫn quang

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát
triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ
thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin điện hiện đại có cấu
trúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống
truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ
tinh… Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh
truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không tổ
chức được các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra được
các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới
ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ
thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thôngthế
giới là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và
đường truyền dẫn quốc tế.
Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công
nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã
hoàn thành vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa
vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu
hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp
quang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những
ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn
quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thông số
của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi
phải xác định chính xác các thông số của nó.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
1
Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhà
sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp đặt, sử
dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến

cáp sợi quang như : suy hao toàn tuyến, suy hao trung bình, suy hao
hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng
cách của toàn tuyến… Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định
một cách tương đối chính xác của sự cố xảy ra trên tuyến.
Một trong các phương pháp để xác định của thông số trên đang
được sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo. Trong bản đồ
án này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phương
thức đo được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu ra những yếu tố ảnh
hưởng đến sai số của phép đo.
Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản đồ án này còn
có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.s Lê Văn Hải đã tận
tình quan tâm giúp đỡ tôi đẻ hoàn thành được bản đồ án này.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
2
CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG
1.1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang.
Thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sơm, từ xa
xưa con người đã biết sử dụng lửa và phản chiếu ánh sáng để báo
hiệu cho nhau và đây có thể coi là một hình thức thông tin bằng ánh
sáng sơm nhất. Sau đó, các hình thức thông tin phong phú dần và
ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại
như ngày nay. Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay,
các hệ thống thông tin quang được coi là các hệ thống thông tin tiên
tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thông
các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và
cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông
tốt nhất. Ở nước ta ta, các hệ thống thong tin quang đã được phát
triển rộng khắp cả nước trong những năm gần đây, và đang đóng vai

trò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại.
Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang
đã trải qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó. Vào năm
1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một
thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sử
dụng dải tần số ánh sáng. Vào thời điểm đó, hàng loạt các thực
nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó.
Tuy nhiên, chi phí cho các công việc này quá tốn kém, kinh phí cho
việc sản xuất các thành phần thiết bị để vượt qua được các cản trở do
điều kiện thời tiết tự nhiên đã gây ra là con số khổng lồ. Chính vì vậy
chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
3
Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thống
truyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh
ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù
có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô
hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn. Năm 1966 Kao và một số
nàh khoa học khác đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang.
Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer
chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970.
Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho
phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền
dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên
cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời. Cho tới
đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã
được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300mm. Cho
tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới < 0,2 dB/km
tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ sợi quang trong những năm qua. Cùng với công nghệ chế tạo

các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ
thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ
thống thông tinâcps kim loại là :
-Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
-Bằng tần truyền dẫn lớn.
-Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ
-Có tính bảo mật tín hiệu thông tin.
-Có kích thước và trọng lượng nhỏ.
-Sợi có tính cách điện tốt.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
4
-Tin cậy và linh hoạt.
-Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có.
Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp
dụng rộng rãi trên mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các
tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việc
truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi
trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên
lục địa, vượt đại dương v.v… Các hệ thống thông tin quang cũng rất
phù hợp với các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới
dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu hay Nhật Bản.
Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được áp dụng rộng
rãi trên thế giới, chúng đáp ứng cả tín hiệu tương tự (analog) và số
(digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng
hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hoá liên
kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt
trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các
cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp
quang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thông của
họ. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đôtj phá về tốc độ, cự ly

truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
1.1.2. Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn
quang.
Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều
năm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn
chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc
truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống
thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
5
như vậy, ta có thế xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao
gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây :
Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi
quang.
Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp
sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo gồm có
nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với
nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc
xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái
tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến
thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (Connector). Các mối
hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang vấcc trạm lặp, tất cả tạo nên
một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với
những điều kiện lắp đặt khác nhau. Chúng có thể được trao ngoài
trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển. Tuỳ
thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp
cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét tới vài kilomet. Tuy nhiên
đôi khi thi công, các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều

kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp đượ kéo trong cống sẽ không thể cho
phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho treo hoặc
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
6
Bộ thu quang
Mạch
điều
khiển
Nguồn
phát
quang
Đầu thu
quang
Chuyển
đổi tín
hiệu
Tín hiệu
điện v oà
Tín hiệu
điện ra
Bộ phát quang
Sợi
quang
chôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài
tổng cộng của tuyến được lắp đặt.
Sợi quang có cấu trúc rất mảnh. Nó được cấu tạo chủ yếu bằng
vật liệu thuỷ tinh. Dạng của sợi quang là hình ống trụ gồm hai lớp
thuỷ tinh lồng vào nhau và có độ đồng tâm cao. Đường kính của lõi
dẫn ánh sáng vào khoảng 50µm đối với sợi đơn mode. Đường kính
ngoài của lớp vỏ phản xạ thông thường vào khoảng 125µm cho cả 2

loại sợi. Có ba loại sợi quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phân
bậc, sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien, và sợi quang đơn mode.
Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ
dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy
hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy
hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm. Ba vùng
bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi
là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba tương
ứng.
Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệu
vào đường truyền sợi quang. Cấu trúc thiết bị phát quang gồm có
nguồn phát quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệu
đầu vào. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phát
quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Tín hiệu ở đầu vào thiết bị
phát ở dạng số hoặc đôi khi códạng tương tự sẽ được tiếp nhận để
đưa vào phần điều khiển. Mạch điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệu
điện dưới dạng điện áp thành xung dòng. Cuốicùng nguồn phát sẽ
thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng
và phát vào sợi quang. Hình 1.2 là sơ đồ khối của thiết bị phát quang.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
7
Mã hoá
Điều
khiển
Nguồn
phát
Tín hiệu
v oà
Clock v oà
Sợi

quang
Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị phát quang
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan
truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang khi truyền trên
sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các
yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần
thu thực hiện trực tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng
phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu
điện. Các photodiôt PIN và photodiode thác APD đều có thểư dụng
làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả
hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi
nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nênghiên cứuác bộ tách sóng
quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang
đầu vào của các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn
quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Yếu tố quan trọng nhất phản
ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang,
nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ
truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống; điều này tưng
tự như tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự.
Sau khi tín hiệu quang được tách tại bộ tách sóng quang, tín hiệu
điện thu được tại đầu ra photodiode sẽ được khuếch đại và khôi phục
trởvề dạng tín hiệu như ở đầu vào thiết bị phát. Như vậy sơ đồ của
thiết bị thu quang sẽ có thể được mô tả như hình 1.4 sau :
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
8
tách sóng
photodiode
Khuếch
đại
Điều chỉnh

Quyết định
Tín hiệu ra
Clock ra
Sợi
quang
Trích Clock
Giải mã
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị thu quang sô.
1.1.3. Những ưu điểm và ứng dụng của thông tin sợi quang.
So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý
là :
-Suy hao thấp : Cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do
đó giảm được số trạm tiếp vận.
-Dải thôgn tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc
độ cao.
-Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ : dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ.
-Hoàn toàn cách điện : không chịu ảnh hưởng của sấm sét.
-Không bị can nhiễu bởi trường điện từ : vẫn hoạt động trong
vùng có nhiễu điện từ mạnh.
-Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên.
Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so với
sợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly.
Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích
khác. Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn
hiện nay bao gồm :
-Mạng đường trục Quốc gia.
-Đường trung kế.
-Đường cáp thả biển liên quốc gia.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
9

-Đường truyền số liệu.
-Mạng truyền hình.
Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng.
-Thuê bao cáp sợi quang.
-Mạng số đa dịch vụ ISDN.
1.2. LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG.
1.2.1. Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang.
1.2.1.1. Chiết suất của môi trường.
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc
ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong
môi trường ấy.
V
C
n
=
n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s
V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s.
Vì V ≤ C nên n ≥ 1.
Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng của
ánh sáng truyền trong nó.
Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra anhsangs
trong một khoảng hẹp chứ không phải chỉ có một bước sóng. Do đó
vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm Vnh
và chiết suốt môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm :
n
nh.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
10
λ

λ
d
dn
nn
nh
−=
1.2.1.2. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách với
môi trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : một tia phản xạ lại
môi trường 1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2. Tia phản xạ và
tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau :
-Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp
tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới).
-Góc phản xạ bằng góc tới : θ’
1
=θ
1
.
-Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell :
n
1
sinθ
1
= n
1
sinθ
2
.
Hình 1.5. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
1.2.1.3. Sự phản sạ toàn phần.

Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy :
-Nếu n
1
< n
2
thì θ
1
> θ
2
: Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp
tuyến
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
11
-Nếu n
1
> n
2
thì θ
1
< θ
2
: Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp
tuyến hơn.
Trường hợp n
1
> n
2
, nếu tăng θ
1
thì θ

2
cũng tăng và θ
2
luôn lớn
hơn θ
1
. Khi θ
2
= 90
0
, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì
θ
1
được gọi là góc tới hạn : θ
th
; nếu tiếp tục tăng θ
1
> θ
th
thì không
còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6). Hiện tượng này
được gọi là sự phản xạ toàn phần.
Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell)với θ
2
=
90
0
có thể tích được góc tới hạn θ
th
.

1
2
1
2
n
n
arcSinhay
n
n
Sin
thth
==
θθ
Hình 1.6. Sự phản xạ toàn phần.
1.2.2. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
1.2.2.1. Nguyên lý truyền dẫn chung.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế
tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n
1
và một lớp vỏ
phản xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n
2
với n
1
> n
2
(hình 1.7), ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi phản xạ
lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
12

phản xạ . Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài
ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn.
Hình 1.7. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
1.2.2.2. Khẩu độ số NA.
Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc
tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn θ
th
(hình 1.8). Sin của góc tới hạn
này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA :
NA = Sin θ
th
.
Hình 1.8. Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau.
Áp dụng công thức Snell tính NA :
Tại điểmA đối với tia 2 :
n
o
sinθ
max
= n
1
sin(90
0
- θ
th
)
mà n
0
= 1 (chiết suất của không khí
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01

13
sin (90
0
- θ
th
) = cosθ
th
)
1
2
2
1
2
2
20
;1sin190(
n
n
viSin
n
n
Sin
ththth
=−=−=−
θθθ
Do đó :
∆≈−== 2
1
2
2

2
1max
nnnSinNA
θ
Trong đó
1
21
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn −
≈
−
=∆
: độ lệch chiết suất tương đối.
Độ lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến
0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%).
1.2.3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có
chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết
suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất
của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục
của sơi ra). Sự biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới
dạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên hình 1.9.






∆−
=
2
2
1
1
]][1[
n
a
r
n
n
g
r
; r ≤ a (trong lõi) ; a < r ≤ b (lớp bọc)
Trong đó : n
1
: là chiết suất lớn nhất ở lõi
n
2
: là chiết suất lớp bọc.
1
21
n
nn −

=∆
: độ chênh lệch chiết suất.
r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết
suất.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
14
a : bán kính lõi sợi.
b : bán kính lớp bọc.
g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g ≥ 1.
Các giá trị thông dụng của g :
g = 1 : dạng tam giác.
g = 2 : dạng parabol
g →∞ : dạng nhảy bậc.
Hình 1.9. Các dạng phân bố chiết suất.
1.2.3.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI).
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi
và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia từ
nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo
những đường khác nhau như hình 1.10.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
15
Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI).
Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài
đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng
một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tượng. Khi đưa một
xung ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng
hơn ở cuối sợi, là hiện tượng tán sắc.
Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có
tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục
được trong loại sợi có chiết suất giảm dần.

1.2.3.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI).
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol.





≤<
≤∆−
=
bran
ar
a
r
n
n
r
;
;])(1[
1
2
1
2
1
)(
Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền
trong lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau :
Hình 1.11. Truyền ánh sáng trong sợi GI.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
16

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng
nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục
có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngược
lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc
truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn
nhất. Nhưng 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 đường parabol (g =
2) thì đường đi của các 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 1 km chỉ khoảng
0,1ns.
Cần lưu ý rằng góc mở θ ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán
kính r vì n
1
là hàm n
1
(r).
NA
a
r
NAnrnSin
r
≤−=−=
22
21)(
)(1)(
θ
Trên trục sợi : r = 0 thì θ
(O)
= θ

max
.
Trên mặt giao tiếp r = a thì θ
(a)
= 0.
1.2.3.3. Các dạng chiết suất khác .
Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến. Ngoài ra còn
một số dạng chiết suất khác nằhm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như :
*Dạng giảm chiết suất lớp bọc : (Hình 1.12.a).
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất
lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này tang suy hao. Dạng giảm
chiết suất lỡp bọc nhằm đảm bảo độ lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết
suất lõi n
1
không cao.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
17
*Dạng dịch độ tán sắc : (Hình 1.12b).
Như đã biết, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang sẽ triệt tiêu ở
bước sóng gần 1300 nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt
tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết
suất như hình 1.12b.
*Dạng san bằng tán sắc.
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một
khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh, như
hình 1.12.c. Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới
áp dụng trong thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế.
Hình 1.12 : Các dạng chiết suất đặc biệt.
1.2.4. Sợi đa mode và đơn mode :
Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang :

một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng
ánh sáng. Thường thường lý thuyết tia sáng được áp dụng vì nó đơn
giản, dễ hình dung. Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý
thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý
thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm đó.
Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các
phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
18
định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức sóng đã xác
định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng.
Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải
phương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả
có liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng
trong sợi. Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng
thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. Có thể hình
dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. Các mode được ký
hiệu LP
V
µ
với v = 0, 1, 2, 3, và µ = 1, 2, 3, Mode thấp nhất là
LP
01
.
Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi,
trong đó có thừa số V.
NAakNAa
n
V

2
==
λ
Trong đó : a : là bán kính lõi sợi.
λ : là bước sóng.
λ
n
K
2
=
: là số sóng.
NA : là khẩu độ số.
Một cách tổng quát, số mode N truyền được trong sợi tính gần
đúng như sau :
2
.
2
2
+
≈
g
gV
N
Trong đó : V : là thừa số v.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
19
g : là số mũ trong hàm chiết suất.
Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI). với g
→ ∞ là :
2

2
V
N ≈
Với chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode
4
2
V
V =
Ví dụ : một sợi quang loại GI (g = 2), với a = 25 µm , NA =
0,2 ở bước sóng λ = 1 µm có thừa số V là :
4,31102,0.25.
1
2
≈==
πµ
µ
π
m
m
V
Số mode truyền trong sơi này là :
.247
4
4,31
4
22
≈==
V
N
Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và

sợi chỉ truyền một mode được gọi là sợi đơn mode.
1.2.4.1. Sợi đa mode (mm : multi - mode).
Sợi đa mode có đường 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 (50/125 µm) là :
-Đường kính lõi : d = 2a = 50µm
-Đường kính lớp bọc : D = 2b = 125µm
-Độ lệch chiết suất : ∆ = 0,01 = 1%
-Chiết suất lớn nhất của lõi n
1
= 1,46.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
20
Nếu làm việc ở bước sóng λ = 0,85 µm thì :
382
2

2
1
≈∆== naNAaV
λ
π
λ
π
Và số mode truyền được trong sợi là : (Nếu là sợi SI).
726
2
2
≈≈
V

N
Sợi đa mode có thể có chiết suất suốt nhảy bậc hoặc chiết suất
giảm dần (Hình 1.13).
Hình 1.13 : Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT
(50/125µm).
1.2.4.2. Sợi đơn mode (Sµ) : single mode).
Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản
(LP
01
) truyền được trong sợi thì 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 truyền trong sợi nên độ tán sắc
do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố
chiết suất nhảy bậc (Hình 1.14).
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là :
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
21
-Đường kính lõi : d = 2a - 9µm ÷ 10µm
-Đường kính lớp bọc : D = 2b - 125µm
-Độ lệch chiết suất : ∆ = 0,003 = 0,3%
-Chiết suất lõi : n
1
= 1,46.
Hình 1.14. Kích thước sợi đơn Mode .
Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode và đơn mode sẽ được
phân tích ở phần sau, ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loại
sợi này.
Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode

(kể cả loại sợi GI), đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm độ tán sắc của
sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0); Do đó dải thông của sợi đơn mode rất
rộng. Song vì kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương
ứng và có thiết bị hàn cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi
đơn mode được dùng phổ biến.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
22
CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG
2.1. SUY HAO TRONG SỢI QUANG.
2.1.1. Định nghĩa :
Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý với
quy luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát
của hàm số truyền công suất có dang :
10
,
)0()(
10.
L
L
PP
α
−
=
Trong đó : P
(())
: là công suất ở đầu sợi (L = 0)
P
(L)
: là công suất ở cự ly L (km) tính từ đầu sợi
α : là hệ số suy hao.

Hình 2.1. Công suất truyền trên sợi quang.
-Độ suy hao được tính bởi :
2
1
lg10)(
P
P
dBA =
Trong đó : P1 = P
(0)
: là công suất đưa vào đầu sợi.
P2 = P
(L)
: là công suất ra ở cuối sợi.
-Hệ số suy hao trung bình .
)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB =
α
Trong đó : A : là suy hao của sợi.
L : là chiều dài sợi.
Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng α)
mà là quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
23
2.1.2. Đặc tuyến suy hao.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại

sợi nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung. Một
đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau :
Hình 2.2. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode.
Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có
suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao.
-Cửa số thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng
có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai
đoạn đầu . Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 - 3 dB/km. Ngày
nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp
nhất.
-Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm : suy hao ở bước sóng
này tương đối thấp khoảng 0,4 - 0,5 dB/km. Đặc biệt, ở bước sóng
này có độ tán sắc rất thấp nên đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.
-Cửa số thứ ba có bước sóng 1550nm : cho đến nay suy hao ở
bước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2 dB/km. Trong những sợi
quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với ở
bước sóng 1300. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
24
biệt, có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm. Lúc đó sử dụng
cửa sổ thứ ba sẽ có được cả hai điểm : suy hao thấp và tán sắc nhỏ.
Bước sóng 1550 nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lại, nhất là
các tuyến cáp quang thả biển.
2.1.3. Các loại suy hao trong sợi quang.
2.1.3.1. Suy ao do hấp thụ :
*Do tự hấp thụ (hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại) :
Do có cấu tạo vỏ điện tử bao và do mối liên quan giữa năng
lượng và tần số bức xạ quang, nên các nguyên tử của vật liệu sợi
quang cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng.
Như thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua

tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ, hoặc hầu
như không suy hao. Còn ở các bước sóng khác sẽ có hiện tượng cộng
hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hoá thành nhiệt năng.
Thuỷ tinh silica (SiO
2
) hiện nay được sử dụng để chế tạo sị
quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại
10µm đến 20 µm, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thông
tin quang là từ 0,8µm đến 1,6µm hoặc trong vùng lân cận.
Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng hấp thụ hồng ngoại cũng còn
ảnh hưởng suy hao ở các bước sóng gần phía trên bước sóng 1,6µm.
Người ta thấy rằng từ bước sóng 1,6µm trở lên thì suy hao tăng rất
nhanh theo bước sóng.
Như vậy, bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng
trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
25