Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG.......2
1.1. Hệ thống thông tin sợi quang.....................................................................2
1.1.1. Lịch sử phát triển................................................................................2
1.1.2. Cấu trúc hệ thống thông tin.................................................................5
1.1.3. Đặc điểm thông tin quang...................................................................6
1.1.4. Ưu điểm các linh kiện thu phát quang:................................................8
1.2. Các đặc diểm của ánh sáng........................................................................9
1.2.1. Phổ của sóng điện từ...........................................................................9
1.2.2. Chiết suất của mơi trường.................................................................10
1.2.3. Ba đặc điểm ánh sáng:.......................................................................11
CHƯƠNG 2: TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG.............15
2.1. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang..................................................15
2.1.1. Sợi quang...........................................................................................15
2.1.2. Nguyên lý truyền dẫn chung:............................................................15
2.1.3 Suy hao sợi quang..............................................................................24
2.2. Đặc tính tán sắc trong sợi quang.............................................................29
2.3. Ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ và độ rộng của băng tần....................35
CHƯƠNG 3: CÁC LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN........................37
1. Biến đổi điện quang (E/O)...........................................................................37
1.1. Điốt LED:.............................................................................................37
1.2. Điot Laser (LD):...................................................................................38
2. Bộ biến đổi quang điện (Điốt thu quang)....................................................40
2.1. Điôt Pin:...............................................................................................41
2.2. Điôt quang thác APD:..........................................................................42
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TRUYỀN CÁP QUANG TRUNG KẾ ĐƯỜNG
DÀI......................................................................................................................45

1. Thế nào là tuyến tính trung kế đường dài....................................................45
2. Các loại cáp và cầu trúc cáp........................................................................45
3. Các hệ thống truyền dẫn..............................................................................45
4. Cấu hình mạng truyền dẫn...........................................................................47

SV: Phạm Đình Khánh

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

5. Nhóm kênh..................................................................................................48
6. Tính tốn số lượng sợi cáp quang...............................................................49
7. Lập kế hoạch tuyến......................................................................................49
8. Thiết kế khoảng cách lặp.............................................................................50
9. Khảo sát hiện trường...................................................................................51
10. Cắt cáp.......................................................................................................52
CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ TRUYỀN DẪN QUANG SDH...............................54
I. Khái niệm SDH............................................................................................54
1) Ghép kênh SDH......................................................................................54
2) Cấp truyền dẫn trong SDH......................................................................56
II). Cấu trúc khung truyền dẫn SDH...............................................................57
1) Khung truyền dẫn SDH...........................................................................57
2) Cấu trúc các khối.....................................................................................59
CHƯƠNG 6 : TỔ CHỨC MẠNG SDH TRỤC BẮC- NAM. THIẾT BỊ
ADM CHUYÊN DỤNG VÀ QUẢN LÝ MẠNG VIỄN THƠNG..................77
I. Các cấu hình cơ bản của mạng.....................................................................77
1. Các thiết bị cơ bản SDH..........................................................................77

2. Bộ ghép kênh đồng bộ.............................................................................78
3. Cấu hình đường.......................................................................................80
4. So sánh giữa mạng vịng và Hub.............................................................83
5. Cấu hình "nút".........................................................................................84
II. Bộ đồng mạng.............................................................................................86
1) Giới thiệu về đồng bộ mạng...................................................................86
2) Cấu trúc phân cấp của hệ thống đồng bộ mạng......................................88
III. Quản lý mạng thông tin quang SDH và mạng viễn thơng.........................90
1) Mục đích của hệ thống quản lý mạng:....................................................90
2) Các đường quản lý vật lý........................................................................91
3) Phân cấp hệ thống quản lý......................................................................92
4) Hệ thống quản lý mạng. (NMS - Network management System)..........93
5) Quản lý mạng viễn thông( TMN - TElecom Management Nerwork),.. .97
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................101

SV: Phạm Đình Khánh

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang được phát triển
mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thông tin trên tồn
thế giới. Các mạng thơng 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 thơng tin ngày càng tăng, địi 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 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 70%-80% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới
hiện nay của ngành Viễn thơng thế giới trong đó có Việt Nam 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 tắt, đón đầu tiếp thu cơng nghệ
hiện đại, trong những năm qua, Tập đoàn VNPT đã hồn thành hố 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 như tốc độ,khả năng nâng cấp và đặc biệt về giá thành
rẻ thay thế cho các thiết bị khác trong đó có cáp đồng giá thành đắt.
Do thời gian có hạn với lĩnh vực có khối lượng kiến thức lớn, và khả năng
cịn hạn chế,kiến thức thực tế ít ỏi, nên trong quyển đồ án khơng thể khơng tránh
khỏi những sai sót và khiếm khuyết nhất định. Vậy em mong muốn nhận được sự
góp ý của các thầy cơ và bạn bè để hồn thiện kiến thức của mình.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu Thanh
trong suốt q trình hồn thiện đồ án,
Sinh viên

Phạm Đình Khánh
SV: Phạm Đình Khánh

1

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG
1.1. Hệ thống thông tin sợi quang
1.1.1. Lịch sử phát triển.
Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng của lửa để
làm phương tiện thông tin đến nay, lịch sử của thông tin quang đã trải qua
những bước phát triển và hoàn thiện được nghi nhận qua những mốc thời gian
sau:
- Năm 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp đã xây dựng hệ thống
điện báo quang hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo tín hiệu di
động trên đó, hệ thống này vượt chặng đường 200km trong vòng 15 phút.
- Năm 1880 ALAXANAER GRAMAM BELL người Mỹ, giới thiệu hệ
thống photo phone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi ánh sáng trong mơi trường
khơng khí mà khơng cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên
thực tế vì có quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm tín hiệu trên đường truyền.
- Năm 1934 NORMAN R.FRENCH kỹ sư người Mỹ, nhận bằng sáng chế
về hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là ống thuỷ tinh.
- Năm

1958 ARTHUR SEHAWLOW và CHARLESH TOWNES xây

dựng và phát triển laer
- Năm 1960 THECDOR H.MAMAN đưa lazer vào hoạt động thành công.
- Năm 1962 lazer bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừ nhận.
- Năm 1966 CHARLES H.KAO và GEORGEA HOCKAM hai kỹ sư
phịng thí nghiệm Standard telecom munication tại nước Anh đề xuất việc dùng
sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời kỳ
ấy còn hạn chế nên suy hao quá lớn.

SV: Phạm Đình Khánh

2

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

- Năm 1970 hãng GLASS WORK chế tạo thành công loại sợi có suy hao
nhỏ hơn 20dB ở bước sang 633 nm.
- Năm 1972 loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4db/km.
- Năm 1983 sợi đơn mode được xuất xưởng ở Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi độ suy hao của loại sợi
này chỉ cịn khồng 0,2db/km ở bước sóng 1550nm.
Thơng tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự như những hệ thống
thông tin khác. Thành phần cơ bản nhất của một hệ thống thông tin quang luôn
tuân thủ theo một hệ thống thơng tin chung. Hệ thống này lồi người đã sử dụng
ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thơng tin.

Nơi tín
hiệu đi

Thiết bị
phát

Mơi trường
truyền dẫn

Thiết bị
phát

Nơi tín
hiệu đến

Phía thu tín hiệu

Phía phát tín hiệu

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản.
Trong sơ đồ tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào mơi trường truyền
dẫn chính tương ứng, ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Như vậy tín hiệu
đã được thơng tin từ nơi giữ tín hiệu, tới nơi nhận tín hiệu đến.
Đối với hệ thống thơng tin quang mơi trường truyền dẫn chính là sợi
quang, nó thực hiện truyền sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía
thu.
Cùng với cơng nghệ chế tạo nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã
tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm nổi trội hơn hẳn hệ thống
thông tin cáp kim loại.
SV: Phạm Đình Khánh

3

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

Sợi cáp quang có đặc điểm sau:
1.

Suy hao của cáp quang thấp hơn so với cáp song hành kim loại

hoặc cáp đồng trục.
2.

Độ rộng băng: Cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao

hơn rất nhiều so với cáp đồng trục trên hình 1.2 mức độ khác nhau này tuỳ thuộc
vào loại các sợi quang.
3.

Đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ: cáp sợi quang nhỏ về kích thước,

nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng đường kính với
cáp kim loại có thể chứa một số lượng lớn lõi sợi quang hơn số lượng lõi kim
loại cùng kích cỡ. Các đặc điểm này có ưu điểm rất lớn khi lắp đặt cáp.
4.

Đặc tính cách điện: bởi vì thuỷ tinh khơng cách điện khơng dẫn

điện, do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngồi
(cáp điện cao thế, sóng vơ tuyến và truyền hình .v.v…) đặc tính này có một ưu
thế rất lớn trong một số ứng dụng cụ thể.
5.

Tiết kiệm tài nguyên: thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất

sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn nữa, một số
lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất một đoạn cáp quang dài.
6.

Có tính bảo mật ín hiệu thơng tin.

Từ các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dung rộng rãi
trên mạng lưới. Có thể xây dựng làm các tuyến đường trục chính, trung kế, liên
tỉnh, thuê bao ở khoảng cách xa mà cáp đồng bị suy hao không đáp ứng được, hệ
thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các dịch vụ băng
hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu của mạng số liên kết đa dich vụ.
Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ cự ly truyền dẫn
và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thơng cấp cao.

SV: Phạm Đình Khánh

4

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

1.1.2. Cấu trúc hệ thống thông tin




Tổng đài


EX




PDH

Sợi quang
E/ O

Trạm lặp
O/E > E/O

Tổng đài

Sợi quang
O/E

SDH

PDH


EX

SDH

Hệ thống thông tin truyền dẫn trong cáp sợi quang




Hình 1.2 : Cấu hình hệ thống thơng tin sợi quang
Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối số liệu
hoặc Fax, số liệu data… đưa đến được biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu
quang qua một bộ biến đổi quang (invecter quang). Và sau đó được gửi vào cáp
quang để thực hiện truyền dẫn. Ở đầu bên kia thu sẽ biến đổi ngược lại, từ tín
hiệu quang chuyển lại sang tín hiệu điện để đưa tới các thiết bị đầu cuối. Bộ biến
đổi quang điện thực chất là linh kiện phát quang như Laser diodes và bộ biến
đổi quang điện chính là Photodiode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn(quá xa)
cần thiết cần có các trạm lặp. Các trạm lặp này biến đổi tín hiệu quang thu được
thành tín hiệu điện để khuyếch đại và phát chuyển tiếp.
* 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 từ nguồn phát gồm có các sợi
dẫn quang và các lớp bọc xung quanh do bộ tách sóng quang và các mạch
khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngồi các thành phần chủ yếu này, tuyến
thơng tin quang cịn có bộ phận nối quang Connector, các mối hàn, các bộ nối

SV: Phạm Đình Khánh

5

Khoa Điện tử Viễn Thơng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

quang, chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thơng tin quang
hồn chỉnh.
Hình 1.3: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang.
Tín
hiệu
điện
vào
ra

Mối hàn sợi
Nguồn
phát
quang

Trạm lặp

Sợi dẫn quang

Mạch
điều
khiển

Bộ chia quang

Thu
quang

Các thiết bị khác

Mạch điện

Phát
quang
Bộ thu
quang
Khuyếch
đại
quang

Đầu
thu
quang

Chuyển
đổi tín
hiệu

Tín
hiệu
điện ra

Khuyếch đại

1.1.3. Đặc điểm thơng tin quang
Hệ thống thơng tin quang có một số ưu điểm so với hệ thống sử dụng cáp
đồng cổ điển cho sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phát
quang.

Sợi cáp quang có các đặc điểm chủ yếu sau:

SV: Phạm Đình Khánh

6

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

+ Sợi quang nhỏ nhẹ hơn cáp song hành kim loại hoặc cáp đồng trục,
đường kính mẫu của sợi quang là 100m nhỏ hơn sợi cáp đồng tục (cáp đồng
trục có đường kính 10 mm).
+ Suy hao thấp hơn so với cáp song hành kim loại hoặc cáp đồng trục
+ Độ rộng băng tần cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu tần số cao hơn rất
nhiều so với cáp đồng trục. Mức độ khác nhau này tùy thuộc vào loại sợi cáp quang.
+ Đặc tính cách điện: Bởi vì thủy tinh không dẫn điện, do vậy cáp quang
không chịu ảnh hưởng của điện trường bên ngoài (cáp điện cao thế sóng vơ
tuyến và cáp truyền hình v.v...) đặc tính này có một ưu điểm lớn trong một số
các ứng dụng cụ thể.
+ Tiết kiệm tài nguyên: Thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi
quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn. Hơn nữa, một số
lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất được một đoạn cáp quang dài.
+ Vì có suy hao nhỏ cho nên cho phép đạt cự ly khoảng cách lớn hơn của
cáp kim loại rất nhiều.
+ Có giá thành rẻ hơn so với cáp đồng.
Suy hao
(dB/Km)

50

Cáp song hành
Cáp kim loại
Cáp đồng trục

20
10
5
2

1
1

Sợi quang đa Mode chiết suất bậc
(2,6,6,5mm)

Cáp sợi quang (Bước sóng 1,3m)
Sợi quang đa Mode chiết suất biến đổi (50/125m)

2

10

20

50 100 200

500

100
0

(MHZ)

Hình 3. Các đặc tính truyền dẫn của cáp quang và cáp kim loại

SV: Phạm Đình Khánh

7

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

1.1.4. Ưu điểm các linh kiện thu phát quang:
+ Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu
tốc độ cao và băng rộng.
+ Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao.
+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả
năng phát xạ cơng suất quang lớn và độ nhạy thu cao mà vẫn đảm bảo chất
lượng truyền dẫn.
Trong hệ thống thông tin sợi quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể
lên tới vài chục Km do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băng rộng,
linh kiện phát quang có cơng suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao. Số lượng trạm
lắp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim loại cổ điển.
Hệ thống thông tin quang sợi rất kinh tế, độ tin cậy cao và dễ dàng lắp đặt và
bảo dưỡng.

Hơn nữa, truyền dẫn kênh dung lượng lớn (rất nhiều tín hiệu được ghép
lại với nhau thành một đường và đường tuyến này truyền qua tuyến truyền dẫn)
cho phép thực hiện các dịch vụ truyền Video, multimedia, data… đang có nhu
cầu phát triển lớn. Điều này làm cho giá trị dịch vụ giảm thấp.
Thông tin quang cũng cho phép truyền dẫn đồng thời các tín hiệu có bước
sóng truyền dẫn khác nhau (ghép tần số). Đặc tính này cũng có khả năng truyền
dẫn băng rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến
rất lớn.
Đường kính nhỏ, trọng lượng bé của sợi quang làm giảm khoảng không
trong việc lắp đặt (treo) cáp hoặc hạ ngầm. Điều này cho thấy một lần nữa cải
thiện tính kinh tế trong mạng lưới viễn thông và làm thuận tiện, dễ dàng trong
khi lắp đặt và bảo dưỡng mạng lưới. Một ưu điểm nữa của sợi quang là không
dẫn điện, như vậy không cần thiết tách thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm

SV: Phạm Đình Khánh

8

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

ứng điện từ trường và nó bảo vệ an tồn cho công nhân cũng như ổn định chất
lượng thông tin.
1.2. Các đặc diểm của ánh sáng.
Trong hệ thống thông tin quang, thơng tin được truyền tải bằng ánh sáng
vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang và nguyên
lý của dao động laser.

1.2.1. Phổ của sóng điện từ.
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
như sóng hoặc hạt (proton) tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.
Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số khác nhau như:
- Tần số: Ký hiệu F, đơn vị (HZ) hoặc chu kỳ trên giây (CPS).
- Bước song: Ký hiệu  đơn vị mét (m).
- Năng lượng photon: Ký hiệu E, đơn vị electronvolt (ev) Các thông số
trên được sử dụng rộng rãi trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các
cơng thức sau:
C = .f

E = h.f

(m/s)

(eV)

(m) (HZ)

Trong đó:
C: Vận tốc ánh sáng trong chân không
C = 300.000 km/s = 3.108 m/s
h: hằng số plank , h = 6,625.10-34 J/s
* ÁNH SÁNG thấy được chỉ chiếm một vùng hẹp trên thang sóng điện từ
với bước sóng từ 380 mm (mầu tím) đến 780 mm (mầu đỏ).
* Ánh sáng dùng trong thơng tin quang trong vùng cận hồng ngoại với
bước sóng từ 800 nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bước sóng thơng dụng là:
850, 1300 và 1550 nm.
SV: Phạm Đình Khánh

9

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

1.2.2. Chiết suất của môi trường
Chiết suất của môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc
ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong mơi trường ấy:
C
n=
V
n. Chiết suất của mơi trường khơng có đơn vị
C. Vận tốc của ánh sáng trong chân không (m/s)
V: Vận tốc của ánh sáng trong môi trường đơn vị (m/s)
Vì V  C nên n  1
Chiết suất của mơi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền
trong nó.
Giá trị chiết suất n của khơng khí 1,00, của nước là 1,33, của thủy tinh là
1,50 và ở kim cương là 2,42.
Ví dụ:
Chiết suất của thủy tinh 100% SiO2 thay đổi theo bước sóng  như trong
hình A

1,50
1,49
1,48
1,47

1,46
1,45
1,44
1,43

ng n  

0,6

0,8

0,9

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

dn
d

(m))

Hình 4. Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm theo bước sóng
Các nguồn quang dùng cho thông tin quang phát ra ánh sáng trong một
khoảng hẹp bước sóng chéo khơng phải chỉ có một bước sóng. Do đó vận tốc
truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm ng và chiết suất của
mơi trường cũng được đánh giá nhóm ng
SV: Phạm Đình Khánh

10

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp
ng n  

dn
d

1.2.3. Ba đặc điểm ánh sáng:
Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất, bị
phản xạ hoặc khúc xạ tại biên ngăn cách hai mơi trường có chiết suất khúc xạ
khác nhau. Sự truyền thẳng, khúc xạ và phản xạ và ba đặc tính cơ bản của ánh
sáng.
Một đặc điểm quan trọng khác của anh sáng là vận tốc truyền lan thay đổi
theo chiết suất khúc xạ của môi trường mà ánh sáng truyền lan qua pháp tuyến
Pháp tuyến
B

A

i

r

0

B'
Hình 5: Định lý phản xạ tồn phần.
Trong hình 5: ánh sáng truyền đi từ điểm A, bị phản xạ tại điểm O trên bề
mặt gương tới điểm B. Trong trường hợp đó, góc tới i bằng góc phản xạ r.
Định luật này gọi là định luật phản xạ.
Trên hình vẽ, quang lộ của ánh sáng đi từ điểm A đi tới điểm B là ngắn
nhất. Khi đi qua các điểm A. O và B. ở đây điểm B’ nằm trên một đường thẳng.
Trong trường hợp góc tới i bằng góc phản xạ r.

SV: Phạm Đình Khánh

11

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

Từ hình vẽ (6) dưới ta thấy biểu diễn định luật khúc xạ cho hai tia sáng A
và A’ xuất phát trường hợp một nguồn sáng như hình (a), (b), (c). Giả thiết rằng
các tia sáng xuất phát từ môi trường, có chiết suất n 1 đi vào mơi trường có chiết
suất n2. Khi tia sáng A tới điểm B biên của hai mơi trường thì tia sáng A’ vẫn

cịn trong mơi trường có chiết suất n 1. Khi tia sáng A’ tới điểm biên C’ thì tia
sáng A đã đi tới điểm C trong môi trường chiết suất n 2. ở đây, thời gian đi được
quãng đường BC bằng thời gian quãng đường B’C’.
Cho vận tốc ánh sáng trong không khí là V, thì vận tốc của nó trong mơi
trường chiết suất n1 và n2 tương ứng bằng V/n1 và V/n2. Do đó đặt góc tới của
A’ cũng là i và t, thì góc tới của A’ cũng là i, sử dụng hàm tương quan lượng
giác ta có :
AB = BC’ ; Sin t
B’C’ = BC’. Sin i
Từ các phương trình ta có:
n1.Sin i = n2 Sin t
Phương trình này biểu diễn định luật khúc xạ. Định luật này gọi là định
luật Snell.
Như đã trình bày ở hình trên, khi chiết suất khúc xạ của hai mơi trường có
mối quan hệ n1>n2 thì cũng giống như trường hợp ánh sáng đi từ mơi trường
nước lên mơi trường khơng khí. Với điều kiện này ta tăng góc tới ilên thì góc
khúc xạ t, sẽ tiến gần tới 90. Nếu 1 tiến tới một giá trị góc nhất định thì ánh
sáng khơng cịn đi vào mơi trường chiết suất n2 nữa.
* Trong điều kiện đó, tất cả các tia sáng đều bị phản xạ. Hiện tượng này
gọi là phản xạ toàn phần gọi là góc tới hạn.
Nếu góc tới hạn bằng t thì r bằng 90. Lúc đó:
Sin t = 1

SV: Phạm Đình Khánh

12

Khoa Điện tử Viễn Thơng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

(n1/n2 ánh sáng xẩy ra phản xạ toàn phần)
(a) Trường hợp n1 < n2

t

t
Mơi trường có chiết suất n2
Mơi trường có chiết suất n1

r

i

i

Tia sáng A

Tia sáng A'
(b) Trường hợp n1 > n2

r

B

t
C

r

Qi

M Mơi trường có chiết suất n2
Mơi trường có chiết suất n1

i

Tia sáng A

Tia sáng A'
(c) Trong trường hợp phản xạ tồn phần (góc tới bằng tới hạn)
r

B

M Mơi trường có chiết suất n2
C(C')

Mơi trường có chiết suất n1

i
Tia sáng A
SV: Phạm Đình Khánh

Tia sáng A'

13

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

Hình 6. Định luật khúc xạ

SV: Phạm Đình Khánh

14

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2
TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG
2.1. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.1.1. Sợi quang
Từ “Sợi quang” có nghĩa “sợi mảnh dẫn ánh sáng” bao gồm : Hai chất
điện môi trong suốt khác nhau (chất điện môi là thuỷ tinh hoặc nhựa) một phần
cho ánh sáng truyền trong đó gọi là sợi lõi, phần cịn lại là lớp vỏ bao quanh lõi.
Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn trong lõi sợi bằng
phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiện tượng này được tạo
nên do cấu tạo của sợi quang có chiết suất lớp vỏ nhỏ hơn lõi khoảng 1,2 hoặc
0,3%.
Sợi quang có đường kính rất nhỏ, đường kính vỏ vào khoảng 0,1 mm,

đường kính lõi khoảng vài m (người ta cho thấy 1m = 1 x10-3 mm)
So với bước sóng truyền tải nó lớn hơn khoảng vài chục lần. Đường kính
này được xác định tuỳ theo yêu cầu truyền dẫn. Sợi quang có đường kính nhỏ
trọng lượng nhẹ và có đặc tính truyền dẫn một cách tốt nhất.
2.1.2. Nguyên lý truyền dẫn chung:
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo bao gồm
một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n 1 và một lớp vỏ bọc (cladding) bằng
thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1>n2, ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản
xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc. Do đó
ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong
có giới hạn.

SV: Phạm Đình Khánh

15

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

n2

Lớp bọc
n1

Lõi
Lớp
bọc

Hình 2.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.1.2.1. Khẩu độ số NA (NUMERICAL APERTURE)
Sự phản xạ toàn phần chỉ xẩy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu
sợi nhỏ hơn góc giới hạn max (hình 2.2) Sin của góc tới hạn này được gọi là
khẩu độ số, ký hiệu NA.
NA = Sinmax =
Trong đó

N 12  N 22 n 1 2 

n 12  n 22 n 1  n 2

=
2n 12
n1

Độ lệch chiết suất tương đối
Độ lệch chiết suất tương đối  có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức là
0,2% đến 1,3%).
Ví dụ sợi quang có n1 = 1,50 và n2 = 1,485 thì
n 12  n 22 n 1  n 2

=
=0,01=1%
2n 12
n1

NA = Sinmax =

n 12  n 22 0,21

max  120

SV: Phạm Đình Khánh

16

Khoa Điện tử Viễn Thơng


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp

3

2

n2

900

B

n1

1

m)ax

900 - C

1
2

n2

3

Hình 2.2 Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
2.1.2.2. Các dạng chiết suất trong sợi quang
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất
lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất
của lớp bọc khơng đổi cịn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính.
Sự biến thiên của chiết suất theo bán kính được viết như dạng tổng quát sau và
đường biểu diễn như hình 2.6.
n(r)

rm)ax = n1
g

g=1
g=2
n2
b

a

0

f
a

b

Hình 2.3. Các dạng phân bố chiết suất
Trong đó:
n1: Chiết suất lớn nhất của lõi
n2: Chiết suất lớp bọc
SV: Phạm Đình Khánh

17

Khoa Điện tử Viễn Thông


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp
n 12  n 22 n1  n 2

=
2n 1
n1

Độ lệch chiết suất

r: khoảng cách từ trục sợi đến điểm tính chiết suất
a: Bán kính lõi sợi
b: Bán kính lớp bọc
g: Số mũ quyết định dạng biến thiên, g  1

Các giá trị thông dụng của g:
g = 1: Dạng tam giác
g = 2: Dạng Parabol
g  : Dạng nhẩy bậc
2.1.2.3. Phân loại phân bố chỉ số khúc xạ
Các sợi quang có thể tạm phân loại thành hai nhóm theo phân bố chỉ số
khúc xạ của lõi sợi . Một loại gọi là sợi quang chiết suất phân bậc (viết tắt là SI) ở
loại này chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ. Loại thứ hai gọi là sợi quang
chiết suất biến đổi (viết tắt là GI) loại này chiết suất thay đổi một cách từ từ.
Loại sợi SM (Single Mode: đơn Mode) được phân loại nằm trong nhóm SI
(Step - Index), tuy nhiên sự chênh lệch về chiết suất khúc xạ giữa lõi và vỏ . Các
đường lan truyền ánh sáng trong các loại khác nhau được thể hiện ở hình 2.3
Trong sợi quang có GI (Graded - Index) chiết suất khúc xạ của lõi biến
đổi một cách dần dần theo hướng đường kính sợi. Do vậy, ánh sáng ở mode đơn
giản hơn... sẽ làm truyền qua một khoảng ngắn hơn phản xạ trước khi tới biên
của một phân cách lõi và vỏ, do đó hầu như ánh sáng lan truyền tại phần tâm của
lõi sợi nơi chiết suất khúc xạ cao. Nói một cách khác ánh sáng ở mode cao hơn
(2) sẽ lan truyền qua một cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong cuộn lõi có
chiết suất phản xạ thấp.

SV: Phạm Đình Khánh

18

Khoa Điện tử Viễn Thông