Hệ thống thông tin quang

Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Đề tài: Hệ thống thông tin quang

SV Phm ỡnh Khỏnh

-1-

Khoa điện tử – Th«ng tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

lời mở đầu
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin đợc phát triển mạnh
mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng đợc 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 đợc tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau nh cáp đối xứng,
cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi
số lợng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không
tổ chức đợc các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thông tin quang, ngời ta đà tạo ra đợc các hệ thống
truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nớc trên thế giới ngày nay, hệ thống
truyền dẫn quang đà chiếm trên 50%-60% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hớng mới hiện nay của ngành Viễn thông thế giới trong đó có Việt Nam là cáp
quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và đờng truyền dÉn qc tÕ.
§èi víi ViƯt Nam chóng ta, víi chÝnh sách đi tắt, đón đầu tiếp thu công
nghệ hiện đại, trong những năm qua, Tập đoàn VNPT đà hoàn thành hoá

mạng lới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đa vµo sư dơng hƯ thèng trun
dÉn quang qc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay
ngành đang chủ trơng cáp quang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế
liên đài Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi do những u điểm siêu việt của cáp sợi quang nh 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 lợng kiến thức lớn, và khả
năng còn hạn chế kiến thức thực tế ít ỏi, nên trong quyển đồ án không thể
không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết nhất định. Vậy em mong
muốn nhận đợc sự góp ý của các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện kiến thức
của mình.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu
Thanh trong suốt quá trình hon thiện đồ án.n thiện đồ án.
Sinh viên
Phạm Đình Khánh

SV Phm ỡnh Khỏnh

-2-

Khoa điện tử Thông tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Phần I
Công nghệ thông tin sợi quang

chơng I
tìm hiểu về hệ thống thông tin sợi quang
I. Hệ thống thông tin sợi quang

1. Lịch sử phát triển.
Trải quan một thời gian dài từ khi con ngời sử dụng ánh sáng của lửa để
làm phơng tiện thông tin đến nay, lịch sử của thông tin quang đà trải qua
những bớc phát triển và hoàn thiện đợc nghi nhận qua những mốc thời gian
sau:
- Năm 1790 claude chappe kỹ s ngời pháp đà 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 vợt chặng đờng 200km trong vòng 15 phút.
- Năm 1880 alaxanaer gramam bell ngời mỹ, giới thiƯu hƯ
thèng photo phone, qua ®ã tiÕng nãi cã thĨ truyền đi ánh sáng trong môi trờng

SV Phm ỡnh Khỏnh

-3-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

không khí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này cha đợc áp dụng trên
thực tế vì có quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm tín hiệu trên đờng truyền.
- Năm 1934 norman r.french kü s ngêi mü, nhËn b»ng s¸ng chÕ
vỊ hệ thống thông tin quang, phơng 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 đa lazer vào hoạt động thành công.
- Năm 1962 lazer bán dẫn và photodiode bán dẫn đợc thừ nhận.
- Năm 1966 charles h.kao và georgea hockam hai kỹ s
phòng thí nghiệm Standard telecom munication tại nớc anh đề xuất việc dùng
sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng. Nhng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời
kỳ ấy còn hạn chế nên suy hao quá lớn.
- Năm 1970 hÃng glass work chế tạo thành công loại sợi có suy hao
nhỏ hơn 20dB ở bớc sang 633 nm.
- Năm 1972 loại sợi gi đợc chế tạo với độ suy hao 4db/km.
- Năm 1983 sợi đơn mode đợc xuất xởng ở mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode đợc sử dụng rộng rÃi độ suy hao của loại
sợi này chỉ còn khoàng 0,2db/km ë bíc sãng 1550nm.
Th«ng tin quang cã tỉ chøc hệ thống cũng tơng tự nh 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 thông tin chung. Hệ thống này loài ngời đà sử
dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin.

Nơi tín
hiệu đi

Thiết bị
phát

Môi trờng
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.

SV Phm ỡnh Khỏnh

-4-

Khoa điện tử Thông tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Trong sơ đồ tín hiệu cần truyền đi sẽ đợc phát vào môi trờng truyền dẫn
chính tơng ứng, ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Nh vậy tín hiệu đà đợc
thông tin từ nơi giữ tín hiệu, tới nơi nhận tín hiệu đến.
Đối với hệ thống thông tin quang môi trờng truyền dẫn chính là sợi
quang, nó thực hiện truyền sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía
thu.
Cùng với công nghệ chế tạo nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đÃ
tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều u điểm nổi trội hơn hẳn hệ thống
thông tin cáp kim loại.
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.
Đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ: cáp sợi quang nhỏ về kích thớc,
nhẹ về trọng lợng so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng đờng kính với
cáp kim loại có thể chứa một số lợng lớn lõi sợi quang hơn số lợng lõi kim
loại cùng kích cỡ. Các đặc điểm này có u điểm rất lớn khi lắp đặt cáp.
4.
Đặc tính cách điện: bởi vì thuỷ tinh không cách điện không dẫn
điện, do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hởng của điện từ trờng bên ngoài
(cáp điện cao thế, sóng vô tuyến và truyền hình .v.v Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi) đặc tính này có một u
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 lợng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất một đoạn cáp quang dài.
6.

Có tính bảo mật ín hiệu thông tin.

Từ các u điểm trên mà hệ thống thông tin quang đợc áp dung rộng rÃi
trên mạng lới. Có thể xây dựng làm các tuyến đờng trục chính, trung kế, liên
tỉnh, thuê bao ở khoảng cách xa mà cáp đồng bị suy hao không đáp ứng đợc,
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 kÕt ®a dich vơ.

SV Phạm Đình Khánh

-5-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

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 thông cấp cao.
2. Cấu trúc hệ thống thông tin




Tổng đài


EX

Sợi quang

PDH

E/ O

Trạm lặp

O/E

O/E > E/O

SDH



Tổng đài

Sợi quang

PDH


EX

SDH



Hệ thống thông tin truyền dẫn trong cáp sợi quang





Trạm lặp

Bộ chia
* Các thành phần chính của tuyến truyền
dẫnquang
cáp sợi quang:
Thu
quang

Sợi dẫn quang

Hình tín
1.2hiệu
: Cấu
hình
thống
sợi quang
Nói chung,
điện
từ hệ
máy
điệnthông
thoại, tin
từ các
thiết bị đầu cuối số
liệu hoặc Fax, số liệu data Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi đa ®Õn ®ỵc biÕn ®ỉi tõ tÝn hiƯu ®iƯn sang tÝn hiệu
quang qua một bộ biến đổi quang (invecter quang). Và sau đó đợc gửi vào cáp
quang để thực hiện truyền dẫn. ở đầu bên kia thu sẽ biến đổi ngợc lại, từ tín
Tín
hiệuhiệu
quang chuyển lại sang tín hiệu điện để đa tới các thiết bị đầu cuối. Bộ
điện

biếnvào
đổi quang điện thực chất là linh kiện phát quang nh Laser diodes và bộ
Mối hàn sợi
ra
biến đổi quangMạch
điện chính là
Photodiode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn(quá
Nguồn
điều
phát
xa) cần thiết cần
có các trạm
lặp. Các trạm lặp này biến đổi tín hiệu quang thu
khiển
quang
đợc thành tín hiệu điện để khuyếch đại và phát chuyển tiếp.

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang
và phần thu quang. Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát gồm có các
bị khác
sợi dẫn quang và các lớp bọc xung quanhCác
do thiết
bộ tách
sóng quang và các mạch
Mạch điện
khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này,
tuyến thông tin quang còn có bộ phận nối quang Connector, các mối hàn, các
bộ nối quang, chia
quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin
Phát

quang
quang hoàn chỉnh.
Hình 1.3: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang.
Bộ thu quang

SV

Khuyếch
đại
quang
Phm ỡnh

Khỏnh

Đầu
thu
quang -6-

Chuyển
đổi tín
hiệuđiện
Khoa
Khuyếch đại

Tín hiệu
điện ra

tử Th«ng tin

Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

3. Đặc ®iĨm th«ng tin quang
HƯ thèng th«ng tin quang cã mét số u 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:
+ Sợi quang nhỏ nhẹ hơn cáp song hành kim loại hoặc cáp đồng trục, đờng kính mẫu của sợi quang là 100m nhỏ hơn sợi cáp đồng tục (cáp đồng
trục có đờng 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 hởng của điện trờng bên ngoài (cáp điện cao thế sóng
vô tuyến và cáp truyền hình v.v...) đặc tính này có một u điểm lín trong mét
sè c¸c øng dơng cơ thĨ.

SV Phạm Đình Khỏnh

-7-

Khoa điện tử Thông tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

+ 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
lợng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất đợc 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)

Cáp song hành

50
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 (Bớc sóng 1,3m)
Sợi quang ®a Mode chiÕt st biÕn ®ỉi (50/125m)

2

10

20

50 100 200

500

100

(MHZ)

H×nh 3. Các đặc tính truyền dẫn của cáp quang và cáp0 kim loại
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 réng.
+ KÝch thíc nhá, hiƯu st biÕn ®ỉi quang ®iƯn cao.
+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có
khả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy thu cao mà vẫn đảm bảo
chất lợng 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 công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao. Số lợng trạm lắp đờng dây giảm đi đáng kể so với số lợng trạm lặp cáp kim loại cổ

SV Phm ỡnh Khỏnh

-8-

Khoa điện tử Thông tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

điển. Hệ thống thông tin quang sợi rất kinh tế, độ tin cậy cao và dễ dàng lắp
đặt và bảo dỡng.
Hơn nữa, truyền dẫn kênh dung lợng lớn (rất nhiều tín hiệu đợc ghép
lại với nhau thành một đờng và đờng tuyến này truyền qua tuyến truyền dẫn)
cho phép thực hiện các dịch vụ truyền Video, multimedia, data Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi 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 thêi c¸c tÝn hiƯu cã bíc sãng trun dÉn kh¸c nhau (ghép tần số). Đặc tính này cũng có khả năng
truyền dẫn băng rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lợng truyền dẫn của
tuyến rất lớn.
Đờng kính nhỏ, trọng lợng 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 lới viễn thông và làm thuận tiện, dễ dàng trong
khi lắp đặt và bảo dỡng mạng lới. Một u điểm nữa của sợi quang là không dẫn
điện, nh vậy không cần thiết tách thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng
điện từ trờng và nó bảo vệ an toàn cho công nhân cũng nh ổn định chất lợng
thông tin.
II. Các đặc điểm của ánh sáng

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin đợc truyền tải bằng ánh sáng
vì rất cần thiết để hiểu đợc sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang và nguyên
lý của dao động laser.
1. Phổ của sóng điện từ.
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem

nh sóng hoặc hạt (proton) tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng. Ngời ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số khác nhau nh:
- Tần số: Ký hiệu F, đơn vị (HZ) hoặc chu kỳ trên giây (CPS).
- Bớc song: Ký hiệu đơn vị mét (m).
- Năng lợng photon: Ký hiệu E, đơn vị electronvolt (ev) Các thông số
trên đợc sử dụng rộng rÃi trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các
công thức sau:
C = .f
(m/s)

(m) (HZ)

E = h.f
(eV)

Trong ®ã:

SV Phạm Đình Khánh

-9-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng tin


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

C: Vận tốc ánh sáng trong chân không
C = 300.000 km/s = 3.108 m/s
h: h»ng sè plank , h = 6,625.10-34 J/s

* ánh sáng thấy đợc chỉ chiếm một vùng hẹp trên thang sóng điện
từ với bớc sóng từ 380 mm (mầu tím) đến 780 mm (mầu đỏ).
* ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với
bớc sóng từ 800 nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng là:
850, 1300 và 1550 nm.
2. Chiết suất của môi trờng
Chiết suất của môi trờng trong suốt đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc
ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trờng ấy:
C

n=
V
n. Chiết suất của môi trờng không có đơn vị
C. Vận tốc của ánh sáng trong chân không (m/s)
V: Vận tốc của ánh sáng trong môi trờng đơn vị (m/s)
Vì V C nên n 1
Chiết suất của môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng truyền
trong nó.
Giá trị chiết suất n của không khí 1,00, của níc lµ 1,33, cđa thđy tinh lµ
1,50 vµ ë kim cơng là 2,42.

Ví dụ:
Chiết suất của thủy tinh 100% SiO2 thay đổi theo bớc sóng nh trong
hình A

1,50
1,49
1,48
1,47
1,46

1,45
1,44
SV
1,43Phm

ng n

ỡnh Khỏnh

dn
d

Khoa điện tử Thông

-10-

tin
0,6

0,8

0,9

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

(m)


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 4. Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm theo bớc sóng
Các nguồn quang dùng cho thông tin quang phát ra ánh sáng trong một
khoảng hẹp bớc sóng chéo không phải chỉ có một bớc sóng. Do đó vận tốc
truyền của nhóm ánh sáng này đợc gọi là vận tốc nhóm ng và chiết suất của
môi trờng cũng đợc đánh giá nhóm ng
ng n

dn
d

3. Ba đặc điểm ánh sáng:
ánh sáng truyền thẳng trong môi trờng chiết suất khúc xạ đồng nhất, bị
phản xạ hoặc khúc xạ tại biên ngăn cách hai môi trờng 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 trờng mà ánh sáng truyền lan qua pháp
tuyến

Pháp tuyến
B
Mặt gơng

A

i

r

0

Hình 5: Định lý phản xạ toàn phần.
B' xạ tại điểm O trên
Trong hình 5: ánh sáng truyền đi từ điểm A, bị phản
bề mặt gơng tới điểm B. Trong trờng hợp đó, góc tới i bằng góc phản xạ r.
Định luật này gọi là định luật phản xạ.

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-11-

Khoa điện tử Thông


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

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 đờng thẳng.
Trong trờng hợp góc tới i bằng góc phản xạ r.
Từ hình vẽ (6) dới ta thấy biểu diễn định luật khúc xạ cho hai tia sáng A
và A xuất phát trờng hợp một nguồn sáng nh hình (a), (b), (c). Giả thiết rằng
các tia sáng xuất phát từ môi trờng, có chiết suất n1 đi vào môi trờng có chiết
suất n2. Khi tia sáng A tới điểm B biên của hai môi trờng thì tia sáng A vẫn
còn trong môi trờng có chiết suất n1. Khi tia sáng A tới điểm biên C thì tia
sáng A ®· ®i tíi ®iĨm C trong m«i trêng chiÕt st n2. ở đây, thời gian đi đợc
quÃng đờng BC bằng thời gian quÃng đờng BC.
Cho vận tốc ánh sáng trong không khí là V, thì vận tốc của nó trong
môi trờng chiết suất n1 và n2 tơng 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 tơng quan
lợng giác ta có :
AB = BC’ ; Sin t
B’C’ = BC’. Sin i
Tõ c¸c phơng trình ta có:
n1.Sin i = n2 Sin t
Phơng trình này biểu diễn định luật khúc xạ. Định luật này gọi là định
luật Snell.
Nh đà trình bày ở hình trên, khi chiết suất khúc xạ của hai môi trờng có
mối quan hệ n1>n2 thì cũng giống nh trờng hợp ánh sáng đi từ môi trờng nớc
lên môi trờng không 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
không còn đi vào môi trờng chiết suất n2 nữa.
* Trong điều kiện đó, tất cả các tia sáng đều bị phản xạ. Hiện tợng này
gọi là phản xạ toàn phần gọi là góc tới hạn.
Nếu góc tới hạn bằng t thì r bằng 90. Lúc đó:
t

t

Sin t = 1

Môi trờng có chiết suất n2
(n1/n2 ánh sáng xẩy ra phản xạ toàn phần)
Môi trờng có chiết suất n1

(a) Trờng hợp n1 < n2 r
i
i
Tia s¸ng A

SV Phạm Đình Khánh
tin
Tia s¸ng A'

-12-

Khoa điện tử Thông


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

(b) Trờng hợp n1 > n2

r

B
Qi

t

M Môi trờng có chiết suất n2

C

r

Môi trờng có chiết suất n1

i

Tia sáng A

(c) Trong trờng
phản
Tiahợp
sáng
A' xạ toàn phần (góc tới bằng tới hạn)
r

B

M Môi trờng có chiết suất n2
C(C')

Môi trờng có chiết suất n1

i
Tia sáng A

Tia sáng A'
Hình 6. Định luật khúc xạ

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-13-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Chơng II
Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
I. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

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 còn lại là lớp vỏ bao
quanh lõi. Sợi quang đợc cấu tạo sao cho ánh sáng đợc truyền dẫn trong lõi
sợi bằng phơng pháp sử dụng hiện tợng phản xạ toàn phần. Hiện tợng này đợc

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 đờng kính rất nhỏ, đờng kính vỏ vào khoảng 0,1 mm, đờng kính lõi khoảng vài m (ngời ta cho thÊy 1m = 1 x10-3 mm)
So víi bíc sãng truyền tải nó lớn hơn khoảng vài chục lần. Đờng kính
này đợc xác định tuỳ theo yêu cầu truyền dẫn. Sợi quang có đờng kính nhỏ
trọng lợng nhẹ và có đặc tính truyền dẫn một cách tốt nhất.
2. Nguyên lý truyền dẫn chung:
ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo bao gồm
một lõi (core) bằng thủ tinh cã chiÕt st n 1 vµ mét líp vá bäc (cladding)
b»ng thủ tinh cã chiÕt st n2 víi 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 đợc trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi
bị uốn cong có giới hạn.

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-14-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Lớp bọc

n2
n1

Lõi

Lớp
bọc
Hình 2.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
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 đợc gọi là
khẩu ®é sè, ký hiÖu NA.
NA = Sinmax =
Trong ®ã

=

N 12  N 22 n 1 2 

n 12  n 22 n 1  n 2

2n 12
n1

§é lƯch chiÕt st tơng đối
Độ lệch chiết suất tơng 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 th×
=

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 Phm ỡnh Khỏnh
tin

-15-

Khoa điện tử Thông


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

3

2

n2

900

B

n1

1

max

900 - C

1
2

n2

3

Hình 2.2 Đờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
2.2. Các dạng chiết suất trong sợi quang
Cấu tróc chung cđa sỵi quang gåm mét lâi b»ng thủ tinh cã chiÕt st
lín vµ mét líp bäc cịng b»ng thủ tinh nhng cã chiÕt st nhá h¬n. ChiÕt st
cđa lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính.
Sự biến thiên của chiết suất theo bán kính đợc viết nh dạng tổng quát sau và đờng biểu diễn nh hình 2.6.
n(r)

rmax = n1
g

g=1
g=2

n2

f

b Hình a2.3. Các
0 dạng aphân bốb chiết suất
Trong đó:
n1: Chiết st lín nhÊt cđa lâi
n2: ChiÕt st líp bäc
2

 n 22 n1  n 2

2n 1
n1

= n1

§é lƯch chiÕt st

r: khoảng cách từ trục sợi đến điểm tính chiết suất
a: Bán kính lõi sợi
b: Bán kính lớp bọc

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-16-

Khoa điện tử Thông

Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

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
2.3. 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) đợc phân loại nằm trong nhóm
SI (Step - Index), tuy nhiªn sù chªnh lƯch vỊ chiÕt st khóc xạ giữa lõi và vỏ .
Các đờng lan truyền ánh sáng trong các loại khác nhau đợc 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 hớng đờng kính sợi. Do vậy, ánh sáng ở mode đơn
giản hơn... sẽ làm truyền qua một khoảng ngắn hơn phản xạ trớc khi tới biên
của một phân cách lõi và vỏ, do đó hầu nh 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 nh lan truyền trong
cuộn lõi có chiết suất phản xạ thấp.
b
a

n2

0
a

n1
n

b
a. Sợi quang loại SI (Step -Index : ®a mode)
b
n2

a
n2

n1

0
a
b

n(r)

SV Phạm Đình Khánh
tin

n2

-17-

Khoa ®iƯn tư – Th«ng


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

b. Sợi quang loại Gi (graded - Index)

c. Sợi quang loại SM (Single Mode : Đơn mode)
* Ngoài hai loại chiết suất SI và GI đợc dùng phổ biến. Ngoài ra còn
một số loại chiết suất khác là:
a. Dạng giảm chiết suất lớp bọc (Hình 2.4a).
Trong công nghệ kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết
suất lớn thì phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Loại
giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ lƯch chiÕt st  nhng cã chiÕt st
lâi n1 kh«ng cao.
b. Dung dịch độ tán sắc (Hình 2.4b)
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bớc sóng gần 1300 nm.
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 hình 2.4b.
c. Dạng sang bằng tán sắc: (Hình 2.4.c)
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bớc
sóng. Chẳng hạn nh kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng ngời ta dùng sợi quang
có dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong thí
nghiệm chứ cha đa ra thực tế.

a

b

c

Hình 2.4 Các dạng chiết suất đặc biệt

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-18-

Khoa điện tử Th«ng


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

2.4 Sợi đa mode và đơn mode
Có hai hớng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang. Một hớng
dùng lý thuyết tia sáng và một hớng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thông thờng lý thuyết tia đợc áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung song có những
khái niệm không dùng lý thuyết tia để diễn ra một cách chính xác, ngời ta
phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode là một trong các khái niệm đó.
Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ nên có thể áp dụng các phơng
trình Maxwell với điều kiện cụ thể của sợi quang để xác định biểu thức sóng
truyền trong nó. Dựa trên các biểu thức sóng đà xác định có thể phân tích lần
lợt các đặc điểm truyền dẫn sóng.
Với mục đích ứng dụng tài liệu này không trình bày các bớc giải của
phơng trình Maxwell mà chỉ nên các thông số đa ra từ kết quả có liên quan
đến 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 đờng. Trạng thái ổn định của các
đờng này đợc gọi là những Mode có thể xem gần đúng một Mode ứng với một
tia sáng. Các Mode sóng đợc ký hiệu Lpv với V = 0,1,2,3... vµ
 = 1,2,3... Mode thÊp nhÊt lµ Lp01.
Số Mode truyền đợc là phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có
thừa số V.
V

2
.a.NA k.a.NA


Trong đó:
a: Bán kính lõi sợi
: Bớc sóng
k=

2


thừa số sóng

NA: khẩu độ số
Một cách tổng quát số Mode n truyền đợc trong sợi đợc tính gần đúng
sau đây:
n

g
V2

.
2 g2

SV Phm ỡnh Khỏnh
tin

-19-

Khoa điện tử Thông


Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Trong đó :
V: Thõa sè
g: Sè mị trong hµm chiÕt st
Sè Mode ®ỵc trun trong sỵi chiÕt st nhÈy bËc (SI) víi g
là:

n

V2
2

Với chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số Mode là: n V

2

4

2.4.1. Sợi da 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 (50/125 m) là:
- Đờng kính lõi: d = 2a = 50 m
- §êng kÝnh líp bäc: D = 2b = 125m
- §é lƯch chiÕt st:  = 0,01 = 1%
- ChiÕt st lín nhÊt cđa lâi n1 = 1,46
NÕu lµm viƯc ë bíc sãng  = 0,85 m th×:
V = 2 .a.NA  2 .a.n




1

. 2 38

Và số Mode truyền đợc trong sợi là : (Nếu là sợi SI)
2

n = V 726
2

Sợi đa Mode có thể có chiết suất nhẩy bậc hoặc chiết suất giảm dÇn

50 m
125 m

50 m
125 m
n1

n1

n2

SV Phạm Đình Khánh
tin

n2

-20-

n1  n2
1%
n1
Khoa ®iƯn tư – Th«ng
