Công nghệ thông tin sợi quang sdh ng nghệ thông tin sợi quang sdh

Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

LỜI NểI ĐẦU
Chỳng ta đang bước vào thế kỷ 21 - kỷ nguyờn của xó hội thụng tin. ở
đú, vai trũ của thụng tin và kiến thức trở thành yếu tố quyết định sự thành
cụng của mỗi ngành, mỗi quốc gia. Cụng nghệ điện tử - viễn thụng ngày nay
càng cú vai trũ quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và phục vụ
đời sống của con ngwời. Cựng với sự phỏt triển của cỏc ngành khoa học
khỏc, cụng nghệ điện tử - viễn thụng đang cú sự phỏt triển vượt bậc, nú thực
sự là một mũi nhọn quan trọng trong cụng cuộc cụng nghiệp hoỏ và hiện đại
hoỏ đất nước. Trong cụng nghệ điện tử - viễn thụng kỹ thuật thụng tin cỏp
sợi quang là lĩnh vực cũn mới mẻ nhưng đó kết hợp được những thành tựu
khoa học và cụng nghệ tiờn tiến trờn thế giới. Hiện nay kỹ thuật thụng tin cỏp
sợi quang đó được ứng dụng rộng rói trờn tồn thế giới.
Kỹ thuật thụng tin cỏp sợi quang cú thể tạo ra hệ thống truyền dẫn đa
kờnh đồng thời từ lĩnh vực chuyển mạch điện tử chuyển sang chuyển mạch
quang. Kỹ thuật truyền dẫn SDH cú rất nhiều ưu thế so với kỹ thuật PDH trước đú. Đú là quỏ trỡnh ghộp kờnh đơn giản, linh hoạt và giảm được đỏng kể
lượng thiết bị trờn -mạng. Kỹ thuật SDH cung cấp cỏc giao diện tốc độ lớn
cho cỏc dịch vụ trong tương lai đồng thời vẫn hoàn toàn tương thớch với mọi
giao diện PDH đang tồn tại. SDH tạo ra cỏc khả năng quản lý tập trung thống
nhất làm thay đổi hoàn toàn quan niệm về hệ thống trưúc đú.
Đợc sự giỳp đỡ tận tỡnh của thầy giỏo Thỏi Vĩnh Hiển cựng với sự
cố gắng của bản thõn trong quỏ trỡnh thực hiện nờn đồ ỏn của em đó được
hồn thành.
Em xin chõn thành cảm ơn cỏc thầy, cụ giỏo trong trường đó giỳp đỡ
em hoàn thành cụng việc của mỡnh.
Vỡ thời gian cú hạn chắc chắn đồ ỏn của em cũn nhiều thiếu sút. Vậy
em mong được sự đúng gúp chỉ bảo của cỏc thầy, cụ và cỏc bạn.
Hà Nội, ngày 10 thỏng 10 năm 2003

Sinh viờn
Nguyễn Thế Mạnh


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

PHẦN I

CỄNG NGHỆ THỄNG TIN SỢI QUANG
******

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỄNG TIN QUANG
1.1. Khỏi quỏt chung
Từ xưa để thụng tin cho nhau, con người đó biết sử dụng ỏnh sỏng để bỏo
hiệu, qua thời gian dài của sự phỏt triển lịch sử nhõn loại, cỏc hỡnh thức thụng tin
ngày càng được phỏt triển phong phỳ và đó trở thành cỏc hỡnh thức thụng tin hiện
đại như ngày nay. Ở trỡnh độ phỏt triển thụng tin bậc cao cỏc hệ thống thụng tin
quang đó nổi lờn và là hỡnh thức thụng tin tiờn tiến bậc nhất, nú đó được triển khai
hầu hết trờn thế giới và đủ mọi cấu hỡnh linh hoạt ở cỏc cự ly và tốc độ truyền dẫn
khỏc nhau, đảm bảo chất lượng viễn thụng tốt nhất.
1.2. Cấu trỳc và cỏc thành phần chớnh trong tuyến truyền dẫn quang
Hệ thống thụng tin quang là hệ thống truyền tin thụng qua sợi quang. Tớn
hiệu thụng tin được chuyển thành ỏnh sỏng và ỏnh sỏng được truyền qua sợi
quang. Tại nơi nhận, ỏnh sỏng được biến đổi trở lại thành thụng tin ban đầu.
T/h vào
NTH

T/h ra

E/O
PĐT
O/E

O/E
SQ

PĐT

E/O

NTH

Hỡnh 1.1 Sơ đồ tổng quỏt hệ thống thụng tin quang
- NTH: Nguồn tớn hiệu bao gồm tiếng, núi, hỡnh ảnh, số liệu, văn bản.
- PĐT: Phần đIện tử: là nơI xử lý nguồn tin tạo ra cỏc tớn hiệu điện đưa vào
cỏc hệ thống truyền dẫn.
- E/O: Bộ biến đổi điện quang gọi là nguồn quang cú nhiệm vụ phỏt ra ỏnh
sỏng cú cụng suất tỉ lệ với dũng điện chạy qua nú.
- SQ: Sợi quang để truyền ỏnh sỏng nhỡn thấu được và tia hồng ngoại.
- O/E:Bộ biến đổi quang điện gọi là linh kiện tỏch súng quang (thu quang) là
nơi tiếp nhận ỏnh sỏng từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tớn hiệu điện
như khi phỏt.
Chất lượng của cỏc linh kiện biến đổi quang - điện, điện - quang và chất
lượng sợi quang quyết định cự ly, dung lượng cũng như chất lượng của toàn tuyến
truyền dẫn quang.
Quỏ trỡnh chuyển tiếp tớn hiệu do bị suy hao nờn phải cú cỏc trạm lắp,
năng lực truyền dẫn của hệ thống thụng tin quang là truyền dẫn ở dải tần rất rộng

và khoảng cỏch trạm lặp rất lớn: Tham số quan trọng nhất của cỏp sợi quang
2


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quanh theo bước súng. Đặc tuyến
suy hao của sợi quang theo bước súng tồn tại 3 vựng mà tại đú cú suy hao
thấp nhất là cỏc vựng cú bước súng này được gọi là cửa sổ thứ nhất, thứ hai
và thứ ba tương ứng, cỏc hệ thống thụng tin quang hiện nay chủ yếu hoạt động ở
cửa sổ thứ hai và ba vỡ suy hao ở cỏc cửa sổ này rất nhỏ.

CHƯƠNG 2
SỢI QUANG
2.1.

Nguyờn lý phản xạ.

2.1.1. Chiết suất của mụi trường.
Chiết suất của một mụi trường trong suốt được xỏc định bởi tỷ số của vận
tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng và vận tốc ỏnh sỏng trong mụi trường ấy.
3


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh
n: chiết suất của mụi trường

c: vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng.
v: vận tốc ỏnh sỏng trong mụi trường.

n = c/v

Vỡ v  c nờn n  1.
Chiết suất của khụng khớ n=1,00029
Chiết suất của nước n=1,333
Chiết suất của thuỷ tinh n=1,48
2.1.2. Nguyờn lý phản xạ toàn phần.
Nguyờn lý cơ bản của truyền dẫn ỏnh sỏng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn
phần của tia sỏng tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường, khi đú tia sỏng đi từ mụi
trường cú chiết suất cao hơn sang mụi trường cú chiết suất thấp hơn.

P

P
(1)


n2
(2)
n1
(2)

n2
n1
T

T

(1)

Vựng phản xạ toàn phần



Hỡnh 2.1 Nguyờn lý phản xạ toàn phần
Cho một tia sỏng đi từ mụi trường cú chiết suất n 1 sang mụi trường cú chiết
suất n2 (n1 > n2). Tia tới (tia1) hợp với phỏp tuyến P một gúc  ( là gúc tới). Khi
tia sỏng đi sang mụi trường 2 tia sỏng bị khỳc xạ, tia khỳc xạ hợp với phỏp tuyến
một gúc  ( là gúc khỳc xạ).
Theo định luật khỳc xạ Snell ta cú:
n1. sin = n2. sin (1)
Khi gúc  = T tức là tia tới (1) dịch tới vị trớ (2) lỳc này tia khỳc xạ khụng
đi vào mụi trường 2 nữa mà đi song song với giải phõn cỏch giữa 2 mụi trường do
đú gúc khỳc xạ:  = T = 900.
Theo (1) thỡ ta cú:
SinT = n2 / n1 (vỡ sin = Sin 900 =1)
4


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Khi cho tia tới đến gúc tới  > T thỡ tia sẽ bị phản xạ tại mặt phõn cỏch trở
lại mụi trường 1, gọi gúc T là gúc tới hạn. Độ lớn của gúc tới hạn phụ thuộc vào
độ lệch chiết suất của hai mụi trường.
Điều kiện để cú phản xạ toàn phần là:
- Cỏc tia sỏng phải đi từ mụi trường chiết quang hơn (n1) sang mụi trường

kộm chiết quang hơn (n2).
- Gúc tới lớn hơn gúc tới hạn.
2.1.3. Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.
Để dễ dàng nhận thấy quỏ trỡnh tiếp nhận và truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫn
quang, ta xột về cơ cấu lan truyền ỏnh sỏng trong sợi dẫn quang đa mode cú chỉ số
chiết suất phõn bậc vỡ kớch thước lừi của sợi này lớn hơn nhiều so với bước súng
ỏnh sỏng mà ta xột. Để đơn giản ta chỉ xột một tia sỏng đặc trưng thuộc về loại tia
tương hợp thể hiện là mode sợi.
Cú hai loại tia cú thể truyền trong sợi dẫn quang là:
 Cỏc tia kinh tuyến là cỏc tia xỏc định cỏc mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi cú
hai loại tia kinh tuyến là:
- Tia biờn là tia tồn tại trong lừi sợi và truyền theo hướng dọc theo trục lừi
sợi.
- Tia ngoài biờn là tia khỳc xạ ra ngoài lừi sợi.
 Cỏc tia nghiờng cú số lượng nhiều gấp bội tia kinh tuyến nú khụng xỏc định
một mặt phẳng đơn thuần nào, cỏc tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọc
theo sợi. Cỏc tia này cú đường đi dài hơn và thường bị suy hao lớn hơn.
Nhỡn chung việc đi vào phõn tớch loại tia nghiờng là khụng cần thiết vỡ nú
khụng phản ỏnh về cỏc tia lan truyền trong sợi. Vỡ vậy chỉ xem xột cỏc tia kinh
tuyến mới cú ý nghĩa cho mục đớch này.
Tuy nhiờn cỏc tia nghiờng cũng gúp phần vào kết luận quỏ trỡnh tiếp nhận cỏc
tia sỏng và suy hao tớn hiệu của sợi dẫn quang.
Cỏc tia kinh tuyến được thể hiện trong hỡnh dưới là xột cho loại sợi đa mode
chỉ số chiết suất phõn bậc
Vỏ n
Chiết suất n
Trục sợi
Gúc tiếp 0
nhận

tia khỳc xạ


vỏ n2

5

lừi n1
tia phản xạ


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Hỡnh 2.2 Tia kinh tuyến biểu hiện quỏ trỡnh tiếp nhận và lan truyền ỏnh sỏng
trong sợi đa mode chiết suất phõn bậc
Cỏc tia sỏng đi vào sợi dẫn quang từ mụi trường cú chiết suất n và hợp với
trục sợi một gúc o. Cỏc tia này đập vào ranh giới vỏ và lừi dưới một gúc  với
phỏp tuyến của ranh giới. Nếu gúc  lớn hơn gúc nào đú để đảm bảo tia đú bị phản
xạ toàn phần thỡ tia kinh tuyến sẽ đi theo đường zich rắc dọc theo lừi sợi và đi qua
trục của sợi sau mỗi lần phản xạ.
Theo định luật Snell thỡ gúc min tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xỏc
định:
Sin min = n2/n1

(1)

Như vậy mọi tia sỏng khi chạm vào ranh giới hai mụi trường với gúc nhỏ
hơn min sẽ bị khỳc xạ ra ngoài lừi sợi và bị suy hao ở lớp vỏ phản xạ.

Điều kiện của phương trỡnh (1) sẽ bị ràng buộc với gúc vào (gúc tiếp nhận)
lớn nhất omax theo
phương trỡnh
nSin θ 0max =n1 Sin θc = n21 −n22

√(

)

(2)

Trong đú : c là gúc tới hạn

Do vậy cỏc tia cú gúc vào o < omax thỡ sẽ bị phản xạ toàn phần bờn
trong tại ranh giới lừi vỏ sợi dẫn quang.
Phương trỡnh (2) cũng xỏc định khẩu độ số NA của sợi cú chỉ số chiết suất
phõn bậc đối với cỏc tia kinh tuyến.

NA=nSinθ0 max =
(3)

2
1

2
2

√ ( n −n )≈n √2 Δ
1

Với  là sự khỏc nhau về chỉ số chiết suất lừi vỏ.
Sợi chiết suất phõn bậc trong thực tế n1=1,48
N2 thường chọn  vào khoảng 0,01.
Cỏc giỏ trị nằm trong khoảng

13% đối với sợi đa mode.
0,21% đối với sợi đơn mode.

Vế phải của phương trỡnh là giỏ trị cho cỏc trường hợp và <1. Vỡ khẩu độ
số cú liờn quan đến gúc vào lớn nhất cho nờn nú thể hiện sự tiếp nhận ỏnh sangư
và khả năng tập trung cỏc tia sỏng của sợi vỡ thế mà cho phộp ta tớnh toỏn được
6


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

hiệu quả của quỏ trỡnh ghộp nguồn phỏt vào sợi dẫn quang. Giỏ trị của khẩu độ số
luụn nhỏ hơn 1 đơn vị và nằm trong dải 0,140,5.
Bảng kớch thước sợi và khẩu độ tương ứng
Đường kớnh lừi sợi
(mm)

Đường kớnh vỏ phõn
xạ (mm)

Khẩu độ số

50

125

0,19  0,25

62,5

125

0,27  0,31

85

125

0,25  0,30

100

140

0,25  0,30

2.2 Phõn bố chiết suất trong sợi quang.
2.2.1 Sợi quang cú chiết suất nhảy bậc (Sợi SI: Step-Index).
Đõy là sợi cú cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lừi và lớp bọc khỏc
nhau một cỏch rừ rệt như hỡnh bậc thang. Cỏc tia sỏng đi từ nguồn quang phúng
vào đầu sợi với cỏc gúc tới khỏc nhau sẽ truyền theo những đường khỏc nhau.

b n1

a
o
a
b

n2

n

n2

Hỡnh 2.3 Sự truyền ỏnh sỏng trong sợi (SI)
Cỏc tia sỏng truyền trong lừi sợi với cựng vận tốc (vỡ V = C/n 1, n1= Const)
khi đú chiều dài đường truyền khỏc nhau nờn thời gian truyền sẽ khỏc nhau trờn
cựng chiều dài sợi quang. Điều này dẫn đến một hiện tượng: Khi đưa một xung
ỏnh sỏng vào đầu sợi lại nhận được xung ỏnh sỏng rộng hơn ở đầu cuối. Đõy là
hiện tượng tỏn sắc (dispersion).
Do cú độ tỏn sắc lớn nờn sợi SI khụng thể truyền tớn hiệu số cú tốc độ cao
qua cự ly dài được. Nhược điểm này cú thể được khắc phục trong loại sợi cú chiết
suất giảm dần.
7


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

2.2.2. Sợi quang cú chiết suất giảm dần (Sợi GI: Graded-Index)
Sợi GI cú dạng phõn bố chiết suất lừi hỡnh parabol.
n11-(r/a)2

,ra

n(r) = 
n2

,a
Vỡ chiết chiết suất thay đổi một cỏc liờn tục nờn tia sỏng truyền trong lừi bị uốn
cong dần.
b
a
o
a
b

n2

n2

n1
n(r)

n1
n2
n1(r)
Hỡnh 2.4 Sự truyền ỏnh sỏng trong sợi GI

Đường truyền của cỏc tia sỏng trong sợi GI khụng bằng nhau, cỏc tia truyền
xa trục cú đường truyền dài hơn, vận tốc truyền lớn hơn cỏc tia truyền gần trục.

Tia truyền dọc theo trục cú đường truyền ngắn nhất và đi với vận tốc nhỏ nhất vỡ
chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chớnh xỏc sự phõn bố chiết suất thỡ
đường đi của cỏc tia sỏng cú dạng hỡnh sin và thời gian truyền của cỏc tia này
bằng nhau. Độ tỏn sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.
2.2.3. Sự lan truyền ỏnh sỏng trong sợi đơn mode:
r

n1
n

n2

Hỡnh 2.5 Sự lan truyền ỏnh sỏng trong sợi SI - SM
Vỡ chỉ cú một mode súng truyền trong sợi nờn độ tỏn sắc do nhiều đường
truyền bằng khụng và sợi đơn mốt cú dạng phõn bố chiết suất nhảy bậc. ở bước
súng  = 1300nm độ tỏn sắc của sợi đơn mode rất thấp ( 0) do đú dải thụng của
sợi đơn mốt rất rộng. Hiện nay sợi đơn mode đang dược dựng phổ biến.
2.2.4. Sự lan truyền của cỏc mode trong sợi quang
Một mode là một trạng thỏi dao động điện từ. Cỏc mốt của súng điện từ cú
8


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

thể chia ra: Mode lừi với tổn hao thấp, mode vỏ với tổn hao cao, cỏc mode rũ cú
đặc tớnh của cả hai loại mode trờn. Khi đưa ỏnh sỏng vào sợi quang, năng lượng
phần lớn tập trung trong ruột sợi, phần năng lượng rũ ra vỏ tạo ra cỏc mode rũ và
mode vỏ bị dập tắt ngay. Người ta chỉ quan tõm tới cỏc modes được truyền dẫn

trong ruột sợi.
Đặc tớnh của cỏc mode lan truyền :
- Mỗi một mode cú một sự phõn bố cường độ điện trường đặc trưng trờn
mặt cắt ngang của sợi quang và khụng đổi dọc theo trục của sợi khi lan
truyền.
- Cỏc mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi một mode cú tốc độ lan truyền riờng.
- Mỗi mode tồn tại một bước súng nhất định của nguồn sỏng: <G (G là
bước súng giới hạn).
2.3. Sợi quang đa mode và đơn mode
2.3.1. Đặc điểm
Đặc điểm của sợi đa mode là truyền dẫn đồng thời nhiều mode. Sợi đa mode
cú đường kớnh ruột dk khỏ lớn cũn sợi đơn mode thỡ d k rất nhỏ. Nếu hiểu mode là
cỏc tia sỏng thành phần được truyền dẫn theo cỏc đường đú khỏc nhau, cũn trong
sợi dơn mode chỉ cú một mode là tia chạy song song với trục của sợi. Nếu cho vào
đầu sợi một xung rất hẹp thỡ ở đầu ra sợi đa mode và đơn mode nhận được cỏc
xung bị biến dạng khỏc nhau.
Theo sự biến thiờn của chiết suất trong ruột sợi thỡ người ta chia ra sợi cú
chiết suất bậc SI (Step Index) và sợi cú chiết suất biến thiờn GP (Graded Index)
Trong sợi SI chiết suất n1 khụng thay đổi và vỡ n1>n2 nờn tại mặt phõn cỏch
vỏ ruột chiết suất cú bước nhảy.
Trong sợi GI chiết suất n1 của ruột đạt giỏ trị lớn nhất tại tõm ruột và giảm
dần cho đến mặt phõn cỏch vỏ ruột thỡ bằng giỏ trị n2 của vỏ.
Sợi đơn mode được gọi là sợi SI
2.3.2. Phõn loại
Cú nhiều cỏch phõn loại nhưng chủ yếu phõn theo phương thức truyền dẫn
trong sợi:
- Sợi đa mode : MM (MultiModes)
- Sợi đơn mode: SM (Single Mode)
9

Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Mode là phương thức truyền súng trong sợi quang. Khi ỏnh sỏng đi vào sợi
quang bằng nhiều tia và độc lập nhau. Sợi quang truyền được nhiều tia gọi là MM,
nếu chỉ truyền được một tia gọi là SM.
n2

n1

n
SI - MM

Hỡnh 2.6 Biểu diễn triết suất bậc SI-MM trong sợi đa mode.
2.3.3. Cỏc loại sợi quang
a.
Sợi đa mode
Cú đường kớnh lừi và khẩu độ số lớn nờn thừa số v và số mode cũng lớn.
Cỏc thụng số
Đường kớnh lừi d = 2a = 50 àm.
Đường kớnh lớp bọc D = 2b = 125àm.
Độ lệch chiết suất  = 0,01 =1%.
Chiết suất lớn nhất của lừi n1=1,46.
.

50m

50m

125m

125m

n1
n1
n2

n2

Sợi SI (Index Step)

Sợi GI (Graded

Index)
Hỡnh2.7 Cỏc loại sợi quang
b.

Sợi đơn mode

Khi giảm kớch thước lừi sợi chỉ cú một mode súng cơ bản truyền được trong
sợi thỡ gọi là đơn mode.
Cỏc thụng số
1
0


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Đường kớnh lừi d = 2a = 9àm +10àm.
Đường kớnh lớp bọc D = 2b =125àm.

Chiết suất n2

chiết suất n1
Hỡnh2.8 Sợi đơn mode

2.4

Tiờu hao truyền dẫn trong sợi quang.

Khi ỏnh sỏng lan truyến trong sợi quang cụng suất bị suy giảm ỏnh sỏng bị
tổn hao.
Hệ số suy hao:
a = -10lg P2/P1 [dB]

(*)

P1: cụng suất ỏnh sỏng đầu sợi quang
P2: cụng suất ỏnh sỏng cuối sợi quang
Trong quỏ trỡnh truyền súng thỡ cụng suất ỏnh sỏng bị suy hao dọc theo
chiều dài của sợi quang theo một qui luật hàm số mũ.
PL = P1.10-L/10

(**)

PL: cụng suất giảm theo chiều dài
: suy hao trờn 1 km sợi gọi là suy hao riờng
L: chiều dài sợi quang
Từ cụng thức (*) (**) ta cú
a[dB]
=
P
P1

L[km]

1
1


0

L2

Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Hỡnh 2. 9 Sự suy giảm cụng suất quang trong sợi quang đồng nhất
Tiờu hao riờng của sợi quang là đại lượng phụ thuộc bước súng cụng tỏc.
Nguyờn nhõn của tổn hao quang trong quỏ trỡnh truyền dẫn trong sợi là:
2.4.1. Suy hao do hấp thụ.
 Sự hấp thụ của tạp chất kim loại
Trong thuỷ tinh thụng thường cỏc tạp chất kim loại là một trong những nguồn
hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng đú là cỏc ion sắt, Đồng, Mangan (Mn), Crom

(Cr), coban (Co).
Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tập chất và bước
súng ỏnh sỏng truyền qua nú.
Để cú được sợi quang cú độ suy hao dưới 1dB/km cần phải cú thuỷ tinh thật
tinh khiết với nồng độ tạp chất khụng quỏ một phần tỷ (10-9)
 Sự hấp thụ của ion OH
Sự cú mặt của cỏc ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ
đỏng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở cỏc bước súng gần 950nm, 1240nm và
1400nm.
Vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyờn nhõn gõy suy hao của sợi quang.
Trong quỏ trỡnh chế tạo nồng độ của cỏc ion OH trong lừi sợi được giữ ở mức
dưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nú.
 Sự hấp thụ bằng cực tớm và hồng ngoại
Thuỷ tinh được chế tạo cú độ tinh khiết cao nhưng sự hấp thụ ỏnh sỏng trong
vựng cực tớm và hộng ngoại. Sự hấp thụ trong vựng hồng ngoại gõy trở ngại
cho khuynh hướng sử dụng cỏc bước súng dài trong thụng tin quang.
2.4.2. Suy hao do tỏn xạ.
 Tỏn xạ Rayleigh: xuất hiện do ảnh hưởng của cỏc chỗ khụng đồng nhất cũn sút
lại trong giai đoạn làm nguội sợi trong quỏ trỡnh nấu chảy thuỷ tinh để kộo
thành sơị ảnh hưởng của nú phụ thuộc vạo cụng nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo
1
2


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

sợi.
Khi kớch thước của vựng khụng đồng nhất vào khoảng một phần mười bước

súng thỡ chỳng trở thành những nguồn điểm dễ tỏn xạ. Cỏc tia sỏng truyền qua
những chỗ khụng đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng. Chỉ một phần năng
lượng ỏnh sỏng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần cũn lại truyền theo hướng
khỏc thậm chớ truyền ngược về phớa nguồn quỏng.
Độ suy hao của tỏn xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước súng
theo cụng thức:
tx () = tx (o)(o/)4
với tx (o): hệ số tỏn xạ tại bước súng mầu o xỏc định theo vật liệu. Đối với
thuỷ tinh thạch anh thỡ cú

tx

o = 1àm
(o)  0,8dB/km

Ở bước súng 850nm suy hao do tỏn xạ Reyleigh của sợi silica khoảng 12 dB/
km và bước súng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3dB/km. ở bước súng 1550nm
suy hao cũn thấp hơn nữa.
Lưu ý: Tỏn xạ Reyleigh là một nguyờn nhõn gõy suy hao cho sợi quang
nhưng hiện tượng này lại đựoc ứng dụng để đo lường trong cỏc mỏy đo quang dội.
 Tỏn xạ do mặt phõn cỏch giữa lừi và lớp bọc khụng hoàn hảo: Khi tia sỏng
truyền đến những chỗ khụng hoàn hảo giữa lừi và lớp bọc tia sỏng sẽ bị tỏn xạ.
Lỳc đú một tia tới sẽ cú nhiều tia phản xạ với cỏc gúc phản xạ khỏc nhau.
Những tia cú gúc phản xạ nhỏ hơn gúc tới hạn sẽ khỳc xạ ra lớp bọc và bị suy
hao dần.
2.4.3. Suy hao do sợi bị uốn cong.
 Vi uốn cong sợi quang bị chốn ộp tạo nờn những chỗ uốn cong nhỏ thỡ suy hao
của sợi cũng tăng lờn sự suy hao này xuất hiện do tia sỏng bị lệch trục khi đi
qua những chỗ vi uốn cong đú. Một cỏch chớnh xỏc hơn sự phõn bố trường bị
xỏo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phỏt xạ năng lượng ra

khỏi lừi sợi.
Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là về phớa
bước súng dài.
 Uốn cong: Khi sợi bị uốn cong với bỏn kớnh uốn cong càng nhỏ thỡ suy hao
càng tăng. Dĩ nhiờn khụng thể trỏnh được việc uốn cong sợi quang trong quỏ
1
3


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

trỡnh chế tạo và lắp đặt. Song nếu giữ cho bỏn kớnh uốn cong lớn hơn một bỏn
kớnh tối thiểu cho phộp thỡ suy hao do uốn cong khụng đỏng kể. Bỏn kớnh uốn
cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thụng thường từ 30mm đến 50mm.
Đặc tuyến suy hao : Đặc tuyến suy hao của sợi quang khỏc nhau tuỳ theo loại sợi.
Một đặc tuyến điển hỡnh của loại sợi đơn mode.
Popt [dB/Km]

4
0,4
0,25
nm
850

1300

1500

1500



Hỡnh 2.10 Đặc tuyến suy hao của sợi quang
Đặc tuyến suy hao của sợi quang cú 3 vựng bước súng cú suy hao thấp gọi là
3 cửa sổ suy hao.
- Cửa sổ thứ nhất ở bước súng 850nm: là bươc súng cú suy hao thấp nhất
đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung
bỡnh ở bước súng này từ 2  3 dB/km.  hiện nay khụng dựng.
- Cửa sổ thứ hai ở bước súng 1300nm: suy hao ở bước súng này tương đối
thấp khoảng 0,3  0,5 dB/km, ở bước súng nàyđộ tỏn sắc rất tương đối
thấp nờn được sử dụng rộng rói hiện nay và được dựng cho cự ly gần.
- Cửa sổ thứ ba ở bước súng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước súng
này là thấp nhất cú thể dưới 0,2dB/km. Trong những sợi quang bỡnh
thường độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm lớn hơn so với bước súng
1300nm. Nhưng với loại sợi cú dạng phõn bố chiết suất đặc biệt cú thể
giảm độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm. Lỳc đú sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ
cú được cả hai ưu điểm là suy hao thấp và tỏn sắc nhỏ. Bước súng
1500nm được sử dụng rộng rói trong tương lai nhất là trong cỏc tuyến
quang thả biển.
2.5. Tỏn sắc trong sợi quang.
1
4


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Khi cỏc xung quang được truyền dẫn trong sợi quang thỡ nú bị biến đổi
hỡnh dạng và độ rộng xung tăng do đố chỳng bị gối lờn cỏc xung bờn cạnh làm
hạn chế khả năng truyền dẫn của sợi quang và làm mộo dạng tớn hiệu. Sự biến
dạng này gõy ra bởi đặc tớnh tỏn sắc của sợi quang nú ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng truyền dẫn cụ thể là:
- Khi truyền tớn hiệu Digital cỏc xung điện bị gión làm mộo tớn hiệu.
- Khi truyền tớn hiệu analog thỡ ở đầu thu biờn độ tớn hiệu bị giảm nhỏ và cú
hiện tượng dịch pha nờn độ rộng bằng tấn truyền dẫn của sợi quang bị giảm.
Cỏc nguyờn nhõn gõy tỏn sắc.
Sợi quang đa mode cú đầy đủ cỏc thành phần của tỏn sắc.
Cũn sợi đơn mode chỉ cú tỏn sắc sắc thể
Tỏn sắc tổng
cộng

Tỏn sắc Mode

Tỏn sắc sắc thể

Tỏn sắc
vật liệu

Tỏn sắc
ống dẫn
súng
Sợi đơn mode

Sợi đa mod
e

Hỡnh 2.11 Cỏc loại tỏn sắc trong sợi quang

2.5.1. Tỏn sắc mode.
Chỉ phụ thuộc vào kớch thước sợi đặc biệt là đường kớnh lừi của sợi nú tồn
tại trờn cỏc sợi đa mode vỡ cỏc mode trong sợi này sẽ lan truyền theo cỏc đường
đo khỏc nhau và do đú cú thời gian lan truyền khỏc nhau.
Với loại sợi đa mode (MM) cú chiết suất nhảy bậc (SI) thời gian truyền
chờnh lệch giữa tia dài nhất và tia ngắn nhất (H1.1.12) được tớnh
n2
1

n1

1
2

1
5


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh
L

Hỡnh 2.12 So sỏnh tia ngắn và dài nhất trong sợi SI
Tia 1: tia dài nhất cú độ dài
d 1=

L
Cos θ 1

Tia 2: tia ngắn nhất cú độ dài d2 = L
Thời gian truyền của tia 1
L
d1
Cos θ 1
t 1=
=
V
C
n1

v = c/n1 vận tốc ỏnh sỏng trong lừi sợi
Mà Cos1= Sinc = n2/n1
Nờn ta cú

2

Ln
t 1= 1
Cn2

Thời gian truyền của tia 2

t 2=

d2
Ln
L
=
= 1

v c /n1
c

Thời gian chờnh lệch giữa hai đường truyền là:
2

Ln1 Ln1 L
n 1−n 2
Δt=t 1 −t 2=
−
= n1
cn 2
c
c
n2

(

)

Trong đú

L
Δt= n1 . Δ
C

Δ=

là độ trải xung do tỏn sắc mode.
1

6

n1 −n2
n2

Thời gian chờnh lệch
trờn mỗi km sợi cũng chớnh


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

Tổng quỏt: Độ tỏn sắc mode phụ thuộc vào dạng phõn bố chiết suất của sợi
đa mode thụng qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất.
n1[1-  (r/n)g]
ra
n(r) = n2
arb
2.5.2. Tỏn sắc sắc thể.
 Tỏn sắc chất liệu
Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước súng nờn vận tốc truyền của ỏnh
sỏng cú bước súng khỏc nhau cũng khỏc nhau. Đú là nguyờn nhõn gõy nờn tỏn
sắc chất liệu.
Về mặt toỏn học tỏn sắc chất liệu được xỏc định bởi
2

λ d n(λ)
Dmat =M =− ×
c

dλ 2
Trong đú:

: bước súng.
c: vận tốc ỏnh sỏng trong chõn khụng.
n(): chiết suất của lừi sợi.

Về ý nghĩa vật lý: tỏn sắc chất liệu cho biết mức đọ nới rộng xung của mỗi
nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang. Đơn vị của độ tỏn sắc do chất
liệu M là ps/nm.km.
Ở bước súng 850nm độ tỏn sắc do chất liệu khoảng 90  120 ps/nm.km.
Nếu sử dụng nguồn quang là LED cú bề rộng phổ  = 50nm thỡ độ nới
rộng xung khi truyền qua mỗi km là
Dmat = M. .
Dmat = 100 ps/nm.km  50nm = 5ns/km.
Nếu nguồn quang là laser Diode cú  = 3nm thỡ độ nới rụng xung chỉ
khoảng 0,3ns/km.
Ở bước súng 1300nm tỏn sắc do chất liệu bằng tỏn sắc ống dẫn súng nhưng
ngược dấu nờn tỏn sắc sắc thể bằng khụng. Do đú bước súng 1300nm thường được
chọn cho cỏc đường truyền cú tốc độ cao.
Ở bước súng 1500nm độ tỏn sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.km.
 Tỏn sắc do tỏc dụng của ống dẫn súng (Dwg) Sự phõn bố năng lượng trong sợi
quang phụ thuộc vào bước súng. Sự phõn bố này gõy nờn sự tỏn sắc ống dẫn
1
7


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

súng.
Tỏn sắc ống dẫn súng rất nhỏ chỉ chỳ ý với sợi đơn mode.

Dt =√ D2mod +D 2chr

Độ tỏn sắc tổng cộng

Với Dchr = Dmat + Dwg
Trong đú:
Dt: độ tỏn sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode).
Dmod: tỏn sắc mode (chỉ cú trong sợi đa mode)
Dchr: độ tỏn sắc sắc thể (độ tỏn sắc tổng trong sợi đơn mode)
Dmat: độ tỏn sắc chất liệu
Dwg: độ tỏn sắc ống dẫn súng
Đồ thị tỏn sắc
M [ ps/nm.Km ]
1
12
8
4
1
2

1300

1400

2

1550 1600

[nm]

Hỡnh2.13 Tỏn sắc sắc thể của cỏc loại sợi
1. Sợi G652.
2. Sợi dịch tỏn sắc G653.
3. Sợi san bằng tỏn sắc.
2.6 Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang
Tổng quỏt:
Linh kiện biến đổi quang điện - điện quang được đặt ở hai đầu sợi quang và
cú hai loại:
1
8


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

- Linh kiện biến đổi tớn hiệu điện sang tớn hiệu quang (E/O - Electric
Optical) được gọi là nguồn quang. Linh kiện này cú nhiệm vụ phỏt ra ỏnh
sỏng cú cụng suất tỉ lệ với dũng điện chạy qua nú.
- Linh kiện biến đổi tớn hiệu quang sang tớn hiệu điện (O/E - Optical
Electric) được gọi là linh kiện thu quang hay cũn gọi là linh kiện tỏch súng
quang. Linh kiện này cú nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang.
Chất lượng cỏc linh kiện này và chất lượng sợi quang quyết định cự ly, dung
lượng, chất lượng của toàn tuyến truyền dẫn.
2.6.1 Cỏc yờu cầu kỹ thuật của linh kiện quang điện:
a)

Đối với nguồn quang :
- Bước súng ỏnh sỏng phỏt ra: Do độ suy hao của ỏnh sỏng truyền trờn sợi
quang phụ thuộc vào bước súng của ỏnh sỏng. Cú 3 bước súng thụng
dụng là 850,1300 và 1550nm. Do vậy ỏnh sỏng do nguồn quang phỏt ra
cũng phải cú bước súng phự hợp.
- Cụng suất phỏt: Cự ly thụng tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đú
cụng suất phỏt của nguồn quang là một yếu tố chớnh. Cụng suất phỏt
càng lớn thỡ cự ly thụng tin càng xa.
- Độ rộng phổ: ỏnh sỏng mà cỏc nguồn quang thực tế phỏt ra khụng phải
chỉ cú bước súng duy nhất mà gồm một khoảng bước súng. Khoảng bước
súng này càng rộng thỡ độ tỏn sắc chất liệu càng lớn và do đú làm hạn
chế giải thụng của tuyến truyền dẫn quang. Như vậy độ rộng phổ của
 quang càng hẹp càng tốt.
nguồn
(dB/
Km)
- Gúc
600phúng ỏnh sỏng: Đường kớnh lừi sợi quang rất nhỏ, nếu kớch thước
nguồn quang lớn và gúc phúng súng ỏnh sỏng rộng thỡ cụng suất quang
500lừi sợi sẽ rất thấp. Do vậy nguồn quang cú vựng phỏt sỏng càng hẹp
vào
càng tốt.
400
- Thời
300gian chuyển: Để truyền được tớn hiệu số cú tốc độ bớt càng cao thỡ
thời gian chuyển trạng thỏi của nguồn quang càng nhanh càng tốt.
200
- Độ
ổn định: Cụng suất quang mà cỏc nguồn quang thực tế phỏt ra cú phụ

100
thuộc vào nhiệt độ mụi trường, vào thời gian sử dụng và cường độ ỏnh
sỏng0xung quanh. Để đảm bảo độ trung thực của tin tức thỡ cụng suất do
nguồn quang phỏt ra phải ổn định.
- Thời gian sử dụng lõu, Giỏ thành hạ.
1
9


Đồ án tốt nghiệp

Công nghệ thông tin sợi quang & sdh

(nm)

500 600 800 1000 1200 1400 1600

Hỡnh 2.14 Độ hấp thụ của cỏc tạp chất kim loại
b)

Đối với linh kiện tỏch súng quang
- Bước súng: Nhạy đối với bước súng hoạt động của hệ thống (850,1300
và 1550nm).
- Độ nhạy: Càng cao càng tốt. Tức là cú khả năng tỏch được cỏc tớn hiệu
quang thật nhỏ với giỏ trị BER cho phộp.
- Đỏp ứng nhanh: Để cú thể làm việc trong hệ thống cú tốc độ bớt cao.
- Dũng tối nhỏ: Khi chưa cú ỏnh sỏng chiếu vào nhưng linh kiện tỏch súng
quang vẫn cú dũng điện nhiễu chạy qua, dũng điện này càng nhỏ càng
tốt.
- Tạp õm: Càng thấp càng tốt để đảm bảo tỉ số (S/N).

- Độ tin cậy cao, giỏ thành hạ.

CHƯƠNG 3
NGUỒN QUANG
3.1.

Nguyờn lý chung
Cú hai loại linh kiện hiện nay được dựng làm nguồn quang là:
2
0