cáp sợi quang và các vấn đề suy hao và tán sắc

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN
KHOA: TIN HỌC ỨNG DỤNG



ĐỀ TÀI: CÁP SỢI QUANG VÀ CÁC VẤN ĐỀ SUY HAO VÀ TÁN SẮC
Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang
Sinh viên thực hiện : Trần Quang Hùng
Lớp : CCVT02A
MSS V : CCVT020015
Đà Nẵng tháng 03 năm 2011

ĐỀ CƯƠNG:
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Cùng với sự phát triển của xã hội và phát triển mạnh mẽ về công nghệ
thông tin ngày càng cao. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu
hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trong mạng lưới viễn thông quốc tế và
được con người xem là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các
tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Để tốc độ có hiệu quả cao như vậy thì đòi
hỏi phải phát triển mạnh mẽ về quy mô và có một trình độ công nghệ cao
nhằm tạo ra cấu trúc mạng hiện đại bao gồm hệ thống thông tin quang và
trong trong hệ thống thông tin quang thì không thể thiếu cáp sợi quang. Để
hiểu rõ về điều đó nên em chọn đề tài trên nhằm giúp em và các bạn hiểu rõ
hơn về cáp sợi quang.
2. Ý NGHĨA THỰC TIỄN:
Với sự phát triển cao của công nghệ hiện nay thì hệ thống thông tin
quang giữ vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu các tuyến trong
nước và các tuyến xuyên lục địa đến vài km. Với sự ra đời của cáp sơi
quang đã làm cho hệ thống phát triển mạnh mẽ với tốc độ đường truyền

cao và ưu việt hơn ít bị nhiễu và truyền xa hơn. Đặc biệt, cáp sợi quang
với sự suy hao nhỏ đã làm đơn giản về việc tăng chiều dài của các tuyến
trong hệ thống thông tin quang. Vì vậy với tốc độ cao như vậy nên các
mạng lưới viễn thông quốc tế hầu hết sử dụng cáp sợi quang để truyền dẫn.

3. BẢNG KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
Thời gian Công việc Kết quả Đánh giá
Tuần 1
Từ 26/3/2011
Đến 1/4/2011
- Sưu tầm tài liệu về cáp sợi
quang
- Lập kế hoạch thực hiện đề
tài.
- Hoàn thành đề cương.
Tuần 2
Từ 2/4/2011
Đến 8/4/2011
- Nghiên cứu tài liệu.
- tìm hiểu về khái niệm, cấu
tạo,
phân loại cáp sợi quang
- Hoàn thành báo cáo giới
thiệu tổng quan về cáp sợi
quang,hiểu rõ về cấu tạo và
phân loại
Tuần 3
Từ 9/4/2011
Đến 15/4/2011
- Nghiên cứu tài liệu.

- Tìm hiểu về nguyên lý
hoạt động,đặc điểm, ưu
điểm và nhược điểm.
- Hoàn thành báo cáo và
hiểu rõ vê đặc điểm và
nguyên lý, và ưu điểm và
nhược điểm.
Tuần 4
Từ 16/4/2011
Đến 22/4/2011
- Nghiên cứu tài liệu
-tim hiểu về ứng dụng và sự
suy hao của cáp sợi quang
- hoàn thành báo cáo về
ứng dụng và sự suy hao của
cáp sợi quang
Tuần 5
Từ 23/4/2011
Đến 29/4/2011
- Hoàn thiện báo cáo.
- Chuẩn bị tài liệu thuyết
trình
- Hoàn chỉnh báo cáo, slide
thuyết trình.
:
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CÁP SỢI QUANG
Lịch sử phát triển của cáp sợi quang :
-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống
điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vượt
qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút .

-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có
thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều
vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay .
-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống
thông tin Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi
trường không khí . Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều
nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống
thông tin quang. Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng
và phát triển Laser
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại
là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng
thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ
tinh dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế
nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng 1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
I). KHÁI NIỆM, CẤU TẠO, PHÂN LOẠI CỦA CÁP SỢI QUANG
1).Khái niệm
• Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được
và các tia hồng ngoại. Chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung
quanh lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì
chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút.
• Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim
loại, fluor, sợi quang kết tinh).Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang

khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên
cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý. Để bọc ngoài ta dùng các nguyên
liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn.

Hình 1: Cáp sợi quang
• Bên trong sợi quang:
- Nguyên lý cơ bản trong sợi quang là hiện tượng vật lí gọi là phản xạ lại
ánh sáng toàn phần . Trong quy định để có phản xạ ánh sáng toàn phần là
ánh sáng xuất phát có góc triết quang trung bình ( khúc xạ ) - bằng hoặc
lớn hơn góc giới hạn ( gọi là góc Brewster )
2). Cấu tạo của cáp sợi quang
• Lõi - Core : lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thuỷ tinh hoặc
nhựa , micra, ở đó ánh sáng được truyền qua . đường kính của lõi càng
lớn thì càng có nhiều ánh sáng được truyền dẫn .
• Lớp sơn phủ - Clading : lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơn
chỉ số khúc xạ của lõi .
• Đệm nhựa : lớp này để bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và
độ cong quá mức .
• Vỏ ngoài : vỏ ngoài phủ lên sợi quang.

Hình 2: Cấu tạo bên trong của cáp sợi quang
3). Phân loại của cáp sợi quang
Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh
Sợi quang thủy tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa
Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết suất
khúc xạ
Sợi quang chiết suất bậc

Sợi quang chiết suât biến đổi đều

a). Phân loại theo vật liệu điện môi:
Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì tổng số có 3 loại:
- Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất
(SiO
2
) mà còn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P… để làm thay
đổi chiết suất khúc xạ.
- Sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinh hoặc
thủy tinh boro-silicat…
- Sợi quang nhựa thường được sản xuất bằng PMMA ( Polymethyl
metharcylate)/
b). Phân loại theo mode lan truyền:
Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:
- Sợi quang đơn mode (Single mode): loại này chỉ cho một mode lan
truyền
- Sợi quang đa mode (Multimode): cho phép nhiều mode lan truyền
. Multimode (đa mode ) gồm 2 loại chính:
• Multimode graded index (chiết xuất liên tục):
- Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ
giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn
các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các
chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng.
- Graded index: thường dùng trong các mạng LAN
• Multimode stepped index (chiết xuất bước):
- Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100 micron), các
tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi:
thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy
xung dễ bị méo dạng.

- Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi
trong

. Single mode (đơn mode)
• Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ
lõi ra cladding ít hơn multimode
• Các tia truyền theo phương song song trục.
• Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng
Hình 3 : Sợi đơn mode
Hình 4:Sợi vỏ thủy tinh pha tạp chất FLO
c). Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ:
Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:
Sợi quang đa model chiết suất phân bậc:
Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đó sẽ lan
truyền trong lõi theo phương thức phản xạ toàn phần. Khi cáp quang bị uốn
cong đột ngột thì góc giữa đường quang và mặt phẳng biên có thế lớn hơn góc
tới hạn do vậy tổn hao sang mặt khác sẽ tăng lên. Trong kiểu sợi quang đa
phương thức ánh sáng đi thằng và ánh sáng phản xạ toàn phần với góc lớn sẽ
có các góc khác nhau. Tỷ lệ với sự chênh lệch này có sự chênh lệch về thời
điểm đến của đầu cuối làm cho việc truyền thông tin đến các địa điểm xa vài
chục MHz-Km.
Sợi quang đa-model chiết suất biến đổi:
Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai lệch về thời gian
như đã đề cập ở trên. Loại quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó
và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía sợi quang. Điều này có nghĩa là sự phân bố
hệ số cong theo chiều dài sẽ tăng lên khi hệ số khúc xạ giảm đi và do vậy ánh
sáng sẽ đến đầu cuối ra gần đúng như thể ánh sáng đã lan truyền theo một
đường thẳng. Vì vậy nó có thể giữ nhiều thông tin (GHz-Km) gấp hàng trăm
ngàn lần so với sợi quang chỉ số bước. Đường kính của lõi sợi quang chỉ số
lớp này 50μm và đường kính của lớp sợi quang là 125μm.

Sợi quang đơn model ( nằm trong nhóm sợi quang chiết suất phân bậc):
Đường kính và lõi của sợi quang đơn model nhỏ hơn nhiều so với sợi quang
đa model. Khi đường kính và lõi của sợi quang giảm xuống và độ sai lệch về
hệ số khúc xạ giữa lõi và lớp sợi quang giảm đi. Trong trường hợp này không
có sự khác biệt nào về thời gian do sự khác biệt giữa góc lan truyền gây ra vì
vậy nó có dải thông truyền dẫn lớn (100GHz-Km hoặc hơn nữa).
II). ĐẶC ĐIỂM, ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM, ỨNG DỤNG CÁP SỢI
QUANG
1).Đặc điểm
• Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh
sáng vào cáp quang.
• Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành
data.
• Cáp quang chỉ truyền sóng ánh sáng (không truyền tín hiệu điện) nên
nhanh, không bị nhiễu và bị nghe trộm.
• Độ suy dần thấp hơn các loại cáp đồng nên có thể tải các tín hiệu đi xa
hàng ngàn km.
• Cài đặt đòi hỏi phải có chuyên môn nhất định
• Cáp quang và các thiết bị đi kèm rất đắt tiền so với các loại cáp đồng
2). Ưu điểm
• Dung lượng lớn.
• Kích thước và trọng lượng nhỏ do đó dễ dàng lắp đặt
• Không bị nhiễu bởi các tín hiện điện, điện từ hoặc thậm chí cả bức xạ
ánh sáng
• Tính cách điện do được làm từ thủy tinh, không chứa vật chất dẫn điện
nên rất an toàn khi sử dụng trong các môi trường đòi hỏi tính an toàn
cao
• Tính bảo mật cao do không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các
phương tiện điện thông thường
• Độ tin cậy cao do cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng

được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có
thể hoạt động ở dưới nước
• Tính linh hoạt do các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu
hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có
thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, Arcnet,
FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp
và còn nhiều nữa
• Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát quang còn hệ
thống cáp sợi quang vẫn có thể được dữ nguyên
3). Nhược điểm
• Khó khăn trong việc ghép nối
• Không sử dụng trong vùng bị chiếu xạ
• Chi phí hàn nối và thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng.
4). Ứng dụng của cáp sợi quang
• Thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền dẫn tín hiệu ở
các tuyến trong nước.các tuyến xuyên lục địa ,xuyên đại tây
dương.Công nghệ ngày nay đã tạo ra thông tin quang phát triển và
thay đổi theo su hướng hiện đại và kinh tế nhất
• Đặc biệt công nghệ sợi quang mode có suy hao nhỏ đã làm đơn
giản việc tăng chiều dài của tuyến thông tin quang, kết hợp với công
nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc
gấp n lần.chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ được
cải thiện một cách đáng kể
• Sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm:
• Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi
trong.
• Graded index: thường dùng trong các mạng LAN
• Dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng
điện thoại, mạng truyền hình cáp.
II). CÁC VẤN ĐỀ SUY HAO

1). Khái niệm:
-Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình
truyền dẫn trên một khoảng cách xác định.
-Ký hiệu dB/km
• Các loại suy hao thường gặp:
- Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ .
- Suy hao do tán xạ rayleigh .
- Suy hao tín hiệu do vật liệu hấp thụ
- Suy hao do uốn cong sợi.
- Suy hao lớp vỏ và lõi
2). Suy hao trên cáp sợi quang
- Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết
kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên
một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với
sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang, giữa sợi quang và các thiết bị
khác trên tuyến như khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh…, cũng có thể
coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong
quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy sao. Các suy hao này là suy hao ngoài
bản chất của sợi, do đó co thể làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau.
Vấn đề ta xét ở đây là suy hao bản chất bên trong của sợi. Trong quá trính
truyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm cho
cường độ tín hiệu bị yếu đi khi truyền qua một cự ly truyền ánh sáng nào đó.
Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thu, suy hao do
tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong các suy hao trên,
suy hao do hấp thụ có liên quang tới vật liệu sợ trong đó bao gồm hấp thụ do
tạp chât, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan
tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc của sợi. Còn suy hao
bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra.
Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặt trưng bằng hệ
số suy hao và được xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra P

out
của
sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào P
in
. Tỷ số công suất này là
một hàm chức năng của bước sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì:






=
Pout
Pin
L
log
10
α
Và đơn vị của α được tính theo decibel trên km (dB/km). Các sợi dẫn quang
thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao và
lúc đó P
out
= P
in
và tương ứng α = 0 dB/km. Trong thực tế, suy hao của sợi rất
nhỏ, giá trị trung bình của suy hao sợi cho phép cự ly truyền dẫn vài chục km
ở tốc độ khá cao. Suy hao của bản thân sợi chủ yếu phụ thuộc vào sự hấp thụ
vật liệu và tán xạ Rayleigh
3). Các nguyên nhân gây ra suy hao

a) Suy hao do hấp thụ :
- Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chấp có trong
vật liệu sợi. Trong thủy tinh thông thường, các tạp chất như nước và các ion
kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion kim loại sắt,
crom, coban, đồng và ion OH (nước). Sự có mặt của tạp chất này làm cho suy
hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi mà làm bằng thủy tinh như các lăng kính
thông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km. Các sợi quang trước đây
với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trong khoảng 1 đến
10 dB/km. Sự có mặt của các phân tử nước đã làm cho suy hao trội hẳn lên.
Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2.7
µ
m và cùng tác
động qua lại của cộng hưởng Silic, nó tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400, 950 và
750 nm. Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền
dẫn 850 nm, 1300 nm và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để
truyền tín hiệu ánh sáng. Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự có
mặt của nước phải ít hơn vài phần tỷ. Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạo
sợi bằng phương pháp MCVD. Các phương pháp chế tạo sợi khác cho phép
làm giảm thấp hơn nữa hàm lượng nước là VAD, VPAD cho phép tạo ra sợi
có sự tập trung ion dưới 0,8 ppb. Với mức tạp chất này, đường cong suy hao
sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và khe suy hao nữa, kết quả này tạo
ra suy hao sợi nhỏ hơn 0.2 dB/km tại bước sóng 1550 nm.
b). Suy hao do hấp thụ vật liệu:
- Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy hao nhỏ hơn,
quan điểm này là hoàn toàn chính xác. Nhưng các liên kết nguyên tử lại có
liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dai, trường hợp này
gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ
nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng. nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn có
ảnh hưởng, và ở đây nó kéo cho tới vùng bước sóng 1550 nm làm cho vùng
bước sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể.

c). Hấp thu cực tím(điện tử):
Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các
điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cóa hơn (mặc dù đây là
một dạng của hấp thu vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong phạm
vi nguyên tử, quan điểm này chính xác hơn là trong phạm vi phân tử). Lúc
này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu khong kết tinh
và kết tinh sẽ có quan hệ như sau:
Α
uv =
Ce
E/E
0
Gọi là luật UrBach, trong đó C và E
0
là các hằng số rút ra từ kinh nghiệm
và E là năng lượng photon. Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng
λ
, cho nên đặc
tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước
sóng. Suy hao cực tím là nhỏ hơn so với suy hao do tán xạ trong vùng gần
hồng ngoại. Đối với dioxit Silic, đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0.14
µ
m,
tuy nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1
µ
m, vì vậy cũng gây ra lượng suy
hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn.
d). Suy hao do tán xạ rayleigh:
- Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong
lõi sợi gây ra. Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không

đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Như
vậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ
phân tử thấp hơn mật độ trung bình. Ngoài ra, do thủy tinh được tạo ra từ vài
loại oxit như SiO
2
, GeO
2
và P
2
O
5
cho nên sự thay đổi thành phần có thể xảy
ra. Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh
sáng gọi là tán Reyleigh. Tán xạ Reyleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng của
ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ. Trong thực tế, suy hao
này làm giảm đi một phần tư công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làm
việc ở bước sóng dài sẽ được quan tâm ngày một nhiều.
Việc diễn giải suy hao do tán xạ gây ra khá phức tạp do bản chất ngẫu
nhiên của phân tử và các thành phần oxit khác nhau của thủy tinh. Đối với
thủy tinh thuần khiết, suy hao do tán xạ tại bước sóng
λ
do sự bất ổn định về
mật độ gây ra có thể được diễn giải như sau:
TfBscat
Tkn
β
π
π
α
22

4
3
)1(
3
8
−=
Hoặc
TfBscat
Tkpn
β
π
π
α
28
4
3
3
8
=
Trong đó:
n là chỉ số chiết suất,
kB là hằng số Boltzman,
T
β
là hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu
T
f
là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại
thành thủy tinh
P là hệ số quang đàn hồi

Hình 5: Suy hao do tán xạ reyleigh
- Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong
giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn. Kích
thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vùng
hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh,
tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc
4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài.
Hệ số suy hao:

4
λ
α
C
R
=
Trong đó hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-µm
α
R
= 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 µm
- Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo:
-Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc
tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc
phản xạ khác nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ
ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần.
α(dB/Km)
600 1200
1400
1600 800
1000
1

0
4
3
2
λ(nm
)
e). Suy hao do uốn cong sợi :
- Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất
kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác
định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra
suy hao.
Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi:
+ Uốn cong vĩ mô
+ uốn cong vi mô
Uốn cong vĩ mô:
-Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường
kính sợi.
- Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ.
- Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn
sợi thẳng.
Số lượng mode hiệu dụng:


Uốn cong vi mô:
- Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên
- Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén
không đều lên bề mặt.
- Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme.
- Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4



























+
∆
+
−=
∞

3/2
2
2
32
2
2
1
kRnR
a
NN
eff
α
α
∆
+
=
∞
2
1
)(
2
kanN
α
α
f). Suy hao do hàn nối sợi:
Các bộ nối để nối hai đầu của sợi quang với nhau trên các cổng cuối
của thiết bị. Đặc tính quan trọng của bộ nối là phải gắn với lõi với mức độ
chính xác cáo, cụ thể làm tâm của hai lõi không được lệch nhau quá phạm vi
cho phép và khe hở hai đầu của sợi phải thật bé phản xạ nhỏ nên suy hao phải
thật bé.

- Suy hao khi nối hai sợi có lõi khác nhau.
- Suy hao do nối hai sợi có góc mở khóc nhau.
- Suy hao do đặt lệch sợi và sợi không đồng tâm
- Suy hao gây ra do mặt cắt của hệ số khúc xạ không đối xứng
- Suy hao do khoảng cách giữa hai đầu của sợi đặt xa nhau.
- Suy hao do hai đầu của sợi có góc nghiêng.
- Suy hao do phản xạ Frenel.
e). Méo mode:
Yếu tố cuối cùng sinh ra sự suy giảm tín hiệu là méo giữa các mode.
Đây là hậu quả của sự chênh lệch về trễ nhóm đối với từng mode riêng rẻ tại
một tần số đơn thuần.
g). Một số suy hao khác
- Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang
- Suy hao do hàn nối
- Suy hao trong môi trờng hidrogen và chiếu xạ gamma
4). Đặc tính suy hao trong cáp sợi quang
- Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo
bước sóng người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao
riêng.
- Nhìn vào hình 6 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi
là ba cửa sổ suy hao.
Hình 6 : Cửa sổ suy hao (phổ suy hao) của sợi quang
Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-
3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu.
Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm. Suy hao tương đối thấp khoảng từ
(0,4÷0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi
hiện nay.
Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay
khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng
1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố

chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm. Lúc đó sử
dụng cửa sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng
1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Hình 7 : Đặc tuyến suy hao
III). CÁC VẤN ĐỀ VỀ TÁN SẮC TRONG CÁP SỢI QUANG
1). Định nghĩa về hiện tượng tán sắc:
- Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu d, đơn vị (s) được xác định bởi
công thức:

22
0 i
D
ττ
−=
Trong đó:
i
τ
,
0
τ
là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (s).
-Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km.
-Đối các loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợi
ứng với mỗi nm của bề mặt phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là
ps/nm.km.
2). Các nguyên nhân gây hiện tượng tán sắc :
- Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần tán sắc như sau :
Tán sắc mode ( mode dispersion ) do năng lượng của ánh sáng phân tán
thành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời

gian truyền khác nhau.
Hấp thụ điện tử
Hấp thụ do tạp chất
Hấp thụ vật liệu
- tán sắc gồm ;
• Tán sắc chất liệu
• Tán sắc dẫn sóng
- Tán sắc thể nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn
sắc mà là một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc
truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.
2).Tán sắc trong sợi đơn mode:
- Tán sắc mode là nguyên nhân gây ra sự hạn chế tốc độ bít trong hệ thống
thông tin quang sử dụng sợi đa mode. Để khắc phục được tán sắc mode,
người ta đã chế tạo ra sợi quang chỉ truyền một mode sóng gọi là sợi đơn
mode.Sợi đơn mode khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode,nên tốc độ
truyền dẫn được cải thiện đáng kể tăng được cự li thông tin.Đối với sợi đơn
mode thì tán sắc màu hay còn gọi là vận tốc nhóm là nguyên nhân gây ra
giảm tốc độ.
Tán sắc vận tốc nhóm:
-Xét sợi đơn mode có chiều dài L. Một thành phần phổ liên biệt tại tần số
ω

sẽ đến ngõ ra cuối sợi bị trễ một thời gian là T =
g
L
ν
trong đó
g
ν
là vận tốc

nhóm, và định nghĩa
β
ω
ν
d
d
g
=
với
β
là hệ số truyền sóng được tính bằng
công thức :
c
n
c
fnn
ωπ
λ
π
β
===
22
⇒
n
c
β
ω
=
- Bằng cách sử dụng
c

n
kn
ω
β
==
0
trong phương trình trên ta thấy là
g
ν
g
n
c
=

trong đó
g
n
chiết suất nhóm.
- vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số làm cho các thành phần khác nhau của
xung lan truyền với thời gian khác nhau đến không cùng một lúc tại ngõ ra
của sợi gây nên hiện tượng dãn nở.
Nếu gọi
ωβω
ω
β
ω
ω
ω
ω
∆=∆=∆









=∆=∆
2
2
2
L
d
d
L
v
L
d
d
d
dT
T
g
trong đó
=
β
2
2
ω

β
d
d

(ps
2
/km) là tham số tán sắc vận tốc.
- Hệ thống thông tin quang, độ rộng phổ
ω
∆
được quyết định bởi độ rộng
đường
λ
∆
của nguồn quang. Thông thường
λ
∆
thay cho
ω
∆
. Bằng cách sử
dụng
λ
π
ω
c2
=
và
λ
λ

π
ω
∆






−
=∆
2
2 c
. Phương trình
-ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bít B có thể được ước tính bằng cách sử
dụng điều kiện
1<∆ΤB
. Thay
λ
∆=∆Τ DL
từ phương trình thì điều kiện này
trở thành:

1<∆
λ
DBL
Tán sắc vật liệu:
- Nguyên nhân:
• Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng
của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau

• Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ
xác định.
• Tộc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất
là hàm của bớc sóng)
⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu
- Về mặt vật lý, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề
rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất
liệu M là ps/nm.Km.
λ
τ
d
d
D =
+ Hệ số tán sắc:
+ Ta có:


+ Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng phổ λ∆ do tán sắc vật liệu là
τ∆ = D
M
.λ∆.L
+ Chiết suất nhóm:

dw
dn
nn
g
ω
+=
- Sự phụ thuộc chiết suất vào bớc sóng hay tần số quang có thể được tính

bằng phương trình Sellmeier:
Hình 8: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n
g
thay đổi ở sợi thuỷ
tinh
- Ở bước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoảng (90÷120) ps/nm.Km, ở
bước sóng 1300nm độ tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng
ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không. Còn ở bước sóng 1550nm độ
tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km.
w
i
: chỉ số vật liệu võ
sợi
B
i
: cường độ dao động
2
2
2
2
1
λ
λ
λλ
λ
λλ
τ
d
nd
cd

dn
d
nd
d
dn
cd
d
D
M
−=






−−==
ps/(nm.km)
Tán sắc ống dẫn sóng:
Nguyên nhân:
- Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước
sóng.
- Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác
định.
- Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành
phần phổ là khác nhau
⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống
dẫn sóng.
+Hệ số tán sắc ống dẫn sóng:

Hình 9 : Tham số b và các vi phân
của nó
Tán sắc do ống dẫn sóng nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode.
Tán sắc bậc cao hơn:
* dV/d λ = -V/λ
* Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng
phổ ∆λ do tán sắc ống dẫn sóng là:
∆τ = D
w
.∆λ.L








∆
−≈−==
2
2
1
)(
dV
Vbd
V
c
n
dV

dV
d
d
D
w
λ
τ
λλ
τ
Từ điều kiện BL
1≤∆
λ
D
ta thấy giá trị của BL của sợi mode có thể tăng đến
vô cùng khi có tán sắc bằng 0.Sự phục thuộc tán sắc D vào bước sóng sẽ đóng
vai trò quan trọng trong sự giãn nở xung. Ảnh hưởng của tán sắc được biểu
hiện qua độ dốc tán sắc
λ
ddDS /
=
, S còn gọi là tham số tán sắc vi phân.

2
3
3
2
2
42
β
λ

π
β
λ
π






+






=
cc
S
Trong đó:
3
3
2
3
ω
β
ω
β
β

d
d
d
d
≡=
là tham số tán sắc bậc ba. Tại
ZD
λλ
=
thì
0
2
=
β
và S tỉ lệ với
3
β
Tán sắc mode phân cực:
- Như đã trình bày, tán sắc mode phân cực (PMD) là một thuộc tính cơ
bản của sợi quang mode và các thành phần hợp thành, trong đó năng
lượng bất cứ bước sóng nào cũng truyền theo hai mode phân cực trực
giao có vận tốc truyền khác nhau. Do sự chênh lệch về vận tốc nên thời
gian truyền một khoảng cách là không giống nhau nên được gọi là trễ
nhóm vi sai.
- Sự giản nở liên quan đến lưỡng chiết suất của sợi
xyf
nnB −=
trong đó
x
n

,
y
n
là chiết suất hiệu dụng theo hướng x, y trục giao nhau.
- Trong các sợi duy tri phân cực, thì sự mở rộng xung được ước tính từ
độ về mặt thời gian
T∆
giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quá
trình lan truyền xung.Đối với sợi có chiều dài L thì
T∆
được cho bởi :

( )
111
βββ
νν
∆=−=−=∆ LL
LL
T
yx
gygx
Với x,y tương ứng với hai mode phân cực trực giao;
T∆
/L=
1
β
∆
liên quan
đến sự khác nhau về vận tốc nhóm dọc theo 2 trạng thái phân cực; là đại
lượng đánh giá PMD.

- Việc phân tích PDM rất phức tạp do đặc tính ngẫu nhiên.Sự mở rộng
xung do PMD được đặc trưng bởi giá trị hiệu dụng của
T∆
đạt khi ta
lấy trung bình giá trị thay đổi của lưỡng chiết ngẫu nhiên.Phương pháp
dùng để tính giá trị này.Phương sai
( )
22
T
T
∆=
δ
không đổi trong mọi
trường hợp được tính toán như sau:

( ) ( ) ( )
[ ]
1//2
2
2
1
2
−+Ζ−∆=
cc
c
T
lzlplz
βδ
Trong đó
c

l
là chiều tương quan và nằm trong dải từ 1m đến 1 km đối với
các loại sợi khác nhau.
- Đối với sợi co chiều dài L thì

( )
LDLl
pcT
≡∆≈ 2
1
βδ
Trong đó D
P
là hệ số tán sắc phân cực,
P
D
thay đổi từ 0,01 đến 10ps/
km
.Vì tán sắc mode phân cực phụ thuộc vào căn bậc hai của chiều dài L nên
sự mở rộng xung tương đối nhỏ so với GVD.