Đồ án tốt nghiệp công nghệ sdh trong thông tin quang

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 tiÕp tơc chiÕm u thÕ trong m¹ng
trun dÉn. trun dÉn 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 trờng,. . .
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 đà ra đời đà 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 đà 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 :
Phần I : Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng 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 sè cËn ®ång bé PDH.

1


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 đà 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 đà biết ánh sáng để truyền tin thời thợng cổ
con ngời đà 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 đà đợc xây dựng dùng
để truyền tin. Khi tín hiệu moóc ra đời,tầu thuyền đi biển đà 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 s¸t thÊy ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ mét
ngn s¸ng trun 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 đà 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 tÕ. Sỵi
quang cã lâi thủ tinh cã chiÕt xt cao và đợc bao bọc bởi lớp vỏ thuỷ tinh
chiết xuất thấp hơn đà đợc 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 đà 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 trờng 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 đà chế tạo sợi quang có xuy hao vào khoảng 20dB/km.
Với sợi quang này thì công suất mà ánh sáng truyền đợc 2km đà bị giảm 40
dB. HƯ thèng th«ng tin quang nh vËy cịng chØ tơng đơng với hệ thống thông
tin kim loại có khoảng lặp khoảng 2km.
Năm 1975 mỹ đà sản xuất đợc sợi quang có xuy hao 2dB/km. Nhật bản
đà 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 1,3m và 1,5m. Vào năm 1982 corning đÃ
thông báo kết quả nghiên cứu loại sợi quang có xuy hao thấp nhất là
0,15dB/km tại bớc sóng là 1,6m khi sử dụng Silic. Nếu sản xuất thành công

3


sợi quang nh vậy thì công suất quang chỉ giảm mét nưa khi trun tin ®i xa
20km.
Song song víi sù phát triển của sợi quang, loại nguồn quang trọng
nhất là laser cũng không ngừng phát triển và hoàn thiện. Năm 1980 đà 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 đà 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 1,3m và 1,55m đà đợc đa vào khai thác. nhiều hệ
thống thông tin cáp sợi quang đơn mode thả biển và trên đất liền đà đợc lắp
đặt vào cuối thế kỉ 80, điển hình là tuyến cáp quang vợt đại tây dơng TAT-8
đà đợc khai thác và sử dụng vào năm1988. Từ đó đến nay mạng thông tin cáp
sợi quang đà 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 đà 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 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 ngµy cµng cao cđa con ngêi.

4


Chơng I
hệ thống thông tin quang
1. 1 Mở đầu.
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 cùc lín. Nhng víi kÜ tht th«ng tin quang, ngêi ta có thể tạo ra
các luồng kênh hệ thống truyền dẫn nhiều kênh, hơn hệ thống điện. Hiện nay
đà chế tạo ra các hệ thống truyền dẫn hằng trăm Gbit/s và ở một số nớc đà 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 quangđiện 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 :
Nguồn

tín hiệu
Phần
điện
tử

Biến đổi
điện
quang E/O

Sợi
quang
SQ

Biến đổi
quang

điện E/O

Phần
điện
tử

Tín
hiệu thu

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. . .

5


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):
Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ E/O đà điều biến.
5; Bộ biến ®ỉi quang - ®iƯn O/E :
Lµ bé thu quang tiÕp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở
thành tín hiệu điện nh tín hiệu đà 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 kÜ tht trun dÉn quang:
+ HƯ thèng 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 0,4m tới 0,6m 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

6


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.

7


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 n1>n2 thì có hiện tợng nh hình vẽ 2. 1

(2)

(3)

(1)Pháp

Tuyến
(3)

cc
c1

Môi trờng 1
Môi trờng 2

(2)

c2

Mặt phân cách
(1)

Hình 2. 1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
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
trờng với tia khúc xạ và đợc xác định bởi công thức SNELL:
n1sin1>n2 sin2
ở đây : vì n1>n2 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 t¹o ra tia khóc x¹ n»m song song víi 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 ( 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 đà nêu trên ta thấy :
Nếu n1>n2 thì 1>2 : Tia khúc xạ gẫy về phía gần ph¸p tuyÕn.

8


Nếu n1hình 2. 1
Trờng hợp n1>n2 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 h¹n c :
Sin c= n2 hay c = arcsin n2
n1
n1
2. 2. Cấu tạo sợi quang.
Sợi quang cấu tạo gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1bán kính
và lớp vá cịng lµ vËt liƯu dÉn quang bao quanh rt có chiết xuất n 2bán kính là b. Các tham số a, b ta có các định nghĩa :
Độ lệch chiết suất n =n1-n2
Độ lệch tơng đối :

=

n

=

n1 n2

=

n1

n1

n12 n22
2n12

Hai tham số này quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang :
r
a

dk

dm

Hình 2. 3 Cấu tạo sợi quang
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 cã chiÕt st lµ n1 vµ mét líp bao bäc ( cladding)
b»ng thủ tinh cã chiÕt st lµ n2víi n1 > n2 (H×nh 2. 4)

9


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.

n2

Lớp bọc (Cladding) n2

o

n1

Lõi (Core) n1
Lớp bọc (Cladding) n2

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=sinmax.
áp dụng công thức snell để tính NA.
Tại điểm A đối với tia 2.
N0 sinmax=n!sin(90- c)
Mµ : n0 = 1 chiÕt xt cđa không khí = 1-sin2c
Sin(90- c) =cosc =

a
n22
Do đó :
`

n1 n2
= n12 n22=

n12

n1
2n12
Độ lệch chiết xuất tơng đối có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức
là từ 0,2 ®Õn 1,3%).

1
0


B
A

2

n2



n2

max
1
max
2

n1
Hình 2. 5 - Đờng truyền của các tia sáng với các góc tới khác nhau

2. 5 Các dạng phân bè chiÕt st trong sỵi quang.
CÊu tróc chung cđa sỵi quang gåm lâi b»ng thủ tinh cã chiÕt xt lín
vµ mét líp bäc cịng b»ng thủ tinh nhung chiÕt st 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.

r 2
n1 1 n(r) =

;r a

(trong lâi)

a

Trong ®ã :n1 : chiÕt st lín
lâi.bäc)
n2; nhÊt
a < rcđa
3(líp
n2 : chiÕt st cđa líp vỏ bọc.

= n1 n2
n1
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.

1
1


rmax= 1

n(r)

g=2
g=1
g ->
b
a
a
b
r
o
2.5.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (Sợi SI :StepHình 2. 6 Các dạng phân bố chiết suất
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 lâi trun víi cïng vËn tèc (V× v=c/n 1 ở đây n1 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
tợng 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 : GradedIndex).
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi dạng parabol.
r 2
nr =

n1 1 -

; r a

a

n2; a < r b
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 ë gÇn trơc cã

1
2

đờng truyền ngắn hơn nhng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo
trục có đờng 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 n1 cũng là hàm của n 1(r).
sin(r) =

n1(r) n22=NA 1- r 2 NA

a
Trên trục sợi : r=a thì (0)= max.
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 biƯt nh :
a. D¹ng chiÕt st trong líp bäc (H2. 7a).
Trong kÜ tht chÕ t¹o quang, mn thủ tinh cã 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 n1 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 tÕ.

1
3


2. 6 Sợi đa mode và sợi đơn mode.
Có hai hớng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang. Mét híng
dïng lý thut tia s¸ng mét dïng 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
đờng 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 LPv.
Với v= 0,1,2,3. . . vµ =1,2,3,. . . Mode thÊp nhÊt lµ LP01.
Sè mode truyền đợc trong sợi phụ thuộc vào thông số của sợi trong đó
có thừa số V :
V= 2

a.NA = k. a. NA.

Trong đó : a : Bán kính lõi sỵi.
 : Bíc sãng.
K =2/ : Thõa sè sãng.

NA : Khẩu độ số
Một cách tổng quát, số mode N truyền trong sợi đợc tính gần đúng nh
sau :
N= v2
2

.

g
g+2

1
4


Trong đó :
v: thừa số v.
g: số mũ trong hàm chiết suất.
Số mode truyền đợc trong sợi chiết suât nhảy bậc (SI) với g=2 thì số
mode là :
N=

v2
4

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 (50/125m) là :
Đờng kính lõi : d= 2a = 50m.

§êng kÝnh líp bäc : D=2b = 125m.
§é lÖch chiÕt xuÊt :  = 0,01 = 1%.
ChiÕt suÊt lín nhÊt cđa lâi :n1=1,46.
NÕu lµm viƯc ë bíc sãng  = 0,85m. th× :
V = 2 .a.NA = 2 .a.n1. 2 = 38
Và mode truyền trong sợi là : (Nếu là sợi SI )
N = V2 = 726
2

Sợi đa mode có chiết suất nhẩy bậc hoặc chiết suất giảm dần (H2. 8 )

50àm

50àm

125àm

125àm
n

n

n1

n1
n2

R

n2

R

=n1+n2/n1=1%
1
5


MM

SI

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< Vc1=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 kÝnh lâi : d= 2a =9m -10 m.
- §êng kÝnh líp bäc : D=2b =125 m.
- §é lƯch chiÕt st =0,003= 0,3%.
- Chiết suất lõi : n1 =1,46.

n1

o

0,9àm

n2

=0,3%
Hình số
2. 9truyền
kích
ớc sợisợi
đơn
Các thông
dẫnthcủa
đa mode
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

1
6


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 đà 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 đà hấp thụ ánh sáng
ở bớc sóng khoảng 2,7m 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 đà dùng để truyền
dẫn tín hiệu ¸nh s¸ng.
HÊp thơ vËt liƯu : Cã thĨ thÊy r»ng 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 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 SiO2 đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14m, tuy
nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1m, vì vậy nã cịng g©y ra suy hao nhá
ë cưa sỉ trun 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 SiO2, GeO2 và P2O5
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

1
7

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 tû lƯ nghÞch víi l thõa bËc 4 cđa bíc
sãng . . . , nên giảm mạnh theo chiều tăng của bớc sóng. Giá trị suy hao này
đáng kể ở vïng bíc sãng díi 1m.
ë bíc sãng 850nm suy hao do tán xạ Rayliegh của sợi Silic khoảng 1-2
dB/km và bíc sãng 1300nm suy hao chØ kho¶ng 0,3 dB/km, ë 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.
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 íc sè cña nã.

1
8


Đối với tán sắc do chất liệu ngời ta đánh giá trên mỗi km sợi quang tơng ứng đối với nm cđa bỊ réng phỉ cđa ngn quang lóc ®ã đơn vị đợc tính
là ps/nm. km.
Có ba loại tán sắc trong sợi quang :
+ Tán sắc mode : (Modal Dispersion).
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 thc cđa bíc sãng vµo vËn tèc
nhãm cđa bÊt kú 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 :
Dt = 02. 12

Trong đó Dt là độ tán sắc tổng cộng.
Dt = D2mod +D2chr
Với Dchr = Dmat+Dwg
Dmod là độ tán sắc mode.
Dchr là độ tán sắc thể. (cũng là độ tán sắc tổng cộng trong sợi ).
Dmat là độ tán sắc chất liệu.
Dwg 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.
+ Hệ số tiếp giáp giữa các vùng ghép không phù hợp.

1
9


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 đà 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.
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 đà khuếch đại
chúng thành tín hiệu quang.

2
0