nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang wdm

MỤC LỤC
Mục Lục 1
Danh mục các từ viết tắt 3
Danh mục hình vẽ 6
Danh mục bảng biểu 8
Lời nói đầu 9
Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 11
1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12
1.2.1 Bộ phát quang 13
1.2.2 Bộ thu quang 13
1.2.3 Cáp sợi quang 13
1.2.4 Các thành phần khác 14
1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 14
1.3.1 Cấu tạo sợi quang 14
1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang 15
1.4. Phân loại sợi quang 17
1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng 17
1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất 18
1.5. Các thông số của sợi quang 18
1.5.1 Suy hao 18
1.5.2 Tán sắc 23
1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang 24
1.6.1 Ưu điểm 24
1.6.2 Nhược điểm 25
Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF 26
2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 26
2.2. Tổng quan về khuếch đại quang 26
2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 26
1
2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang 29

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang 30
2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn 32
2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi 35
2.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA 41
2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA 41
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 43
2.3.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 45
2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA 50
2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA 55
2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA 57
2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA 58
CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông
tin quang WDM 63
3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang 63
3.2. Các ứng dụng trong hệ thống thông tin quang số 64
3.3. Ứng dụng trong các hệ thống tương tự 66
3.4. Các ứng dụng trong mạng nội hạt (LAN) 68
3.5. Ứng dụng trên hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM
68
3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 69
3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 71
3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 73
3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM 75
Kết luận 76
Tài liệu tham khảo 79
2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ
ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch
đại

AWG Array Wave Grating Cách tử AWG
BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu
phát
CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha
DC Dispersion Compensator Bộ bù tán sắc
DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc
DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc
DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc
DEM Dispersion Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc
DEMUX DEMultiplexing Bộ tách kênh
DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố
DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển
DXC Digital Cross Connect Bộ đấu chéo số
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium
EDSFA Erbium-Doped Silicon-based
Fiber Amplifier
Khuếch đại quang Erbium
dựa trên nền bán dẫn Silic
EDTFA Erbium-Doped Tellurite Fiber
Amplifier
Khuếch đại quang Erbium
trên nền bán dẫn Tellurium
FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg
FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền
LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation
LD Laser Diode Điốt phát quang laser
LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường
truyền
MAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị

MOR Multi-wavelength Optical
Repeater
Trạm lặp đa kênh quang
MUX Multiplexing Bộ ghép kênh
NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng
không
NF Noise Figure Hệ số tạp âm
NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Sợi tán sắc dịch chuyển khác
3
Fiber không
OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang
OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
OAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang
OC Optical Channel Kênh quang
ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang
ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang
OL Optical Line Đường truyền quang
OM Optical Multiplex Bộ ghép kênh quang
OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quang
OMUX Optical Multiplexing Bộ ghép kênh quang
OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang
OSC Optical Supervisor/Service
Channel
Kênh giám sát quang
OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang
OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi
quang
OTU Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang
OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang
PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại

PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cực
PLC Planar Lightwave Circuit Vi mạch quang
PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
REG Regenerator Trạm lặp (3R)
SNR Signal To Noise Ratio Tỷ số Tín hiệu/Tạp âm
SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin
SMF Single-Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn
SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman
SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode
chuẩn
WDM Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh theo bước sóng
WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo
4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 11
Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang 12
Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang 14
Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng 15
Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16
Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn 19
Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA 19
Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 20
Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 21
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 22
Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 22

Hình 1.12: Cấu trúc của EDFA 23
Hình 1.13: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 24
Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng 27
Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 29
Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 33
Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 35
Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 36
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 37
5
Hình 2.7: Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 38
Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA 42
Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 42
Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er
3+
trong lõi sợi EDF 44
Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 48
Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận 49
Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược 49
Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng 50
Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA 51
Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với độ khuếch đại 51
Hình 2.17:Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với ba
công suất bơm khác nhau 52
Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với
các công suất bơm khác nhau 54
Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại 55
Hình 2.20: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 57
Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát 61
Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 62
Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra nhiễu giao thoa nhiều luồng 62

Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA 64
Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA 65
Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA 65
Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA
67
Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng 70
Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng 71
Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM 73
Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống 74
Hình 3.9: Cấu hình EDTFA 75
6
Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM 76
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang 41
Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 47
Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 56
7
LỜI NÓI ĐẦU
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa
vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức
truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các
dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống
thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã
có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang
không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và
trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của
mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và
tương lai.
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong
ngành công nghiệp viễn thông. Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt

bậc cho ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao
của con người. Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày
càng tăng nhanh. Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng với
dung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chống
nhiễu, bảo mật tốt. Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự phát
triển mạng cả về qui mô và trình độ công nghệ
8
Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho
viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công
nghệ ghép kênh theo bước sóng quang. Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu
điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng
được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại
và tương lai. Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miền
tín hiệu quang dần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó. Gần đây đã thực
hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải
thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Điều đáng chú ý là bộ
khuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếch đại toàn bộ bước
sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng.
Tốc độ bit của tuyến đã đạt 100Gb/s và tích BL là 910 Tb/s-km vào năm 2000.
Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thống thông tin quang
ghép kênh theo bước sóng WDM. Trong các hệ thống tuyến tính số các bộ
EDFA có thể được sử dụng làm các bộ tiền khuếch đại PA, các bộ khuếch đại
công suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA. Theo các tiêu chuẩn này thiết
bị khuếch đại quang sợi OFA được đặt dọc theo tuyến quang. Ngoài ra bộ
khuếch đại EDFA còn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác. Trong tương
lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệ
thống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn. Để tìm
hiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện
đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông
tin quang WDM ”

Nội dung của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang
Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang,
nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin
quang.
Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA
9
Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộ
khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết.
Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông
tin quang WDM.
Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả
năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tin
quang WDM.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG VÀ BỘ
KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang
Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa, …
Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trở
nên phong phú và hiện đại hơn. Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệ
thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lưới
viến thông ở nhiều quốc gia trên thế giới. Thông tin quang là kỹ thuật truyền tin
bằng ánh sang. Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyển
thành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang). Tại máy thu, tín
hiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện. Về mặt nguyên tắc hệ
thống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồm
các thành phần cơ bản như trong hình 1.2 dưới đây:
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin.
10

Nguồn
tín hiệu
Thiết
bị phát
Môi
trường
Thiết
bị thu
Nơi t/h
đến
Các hệ thống thông tin khác nhau phân biệt chủ yếu dựa vào môi trường
truyền. Đối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền chính là sợi quang.
Sự phát triển của hệ thống thông tin quang cũng gắn liền với sự ra đời của sợi
quang. Vào năm 1960 việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở
ra một thời kì mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng
dải tần số ánh sáng. Đây có thể xem là xuất phát điểm của sự ra đời các hệ thống
thông tin quang.
Sau năm 1960 các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến
hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển. Các công nghệ mới về giảm suy
hao truyền dẫn, tăng dải thông về laser bán dẫn được phát triển thành công.
Theo bảng 1 thì độ tốn thất của sợi quang đã được giảm đến 0.18 dB/km. Dựa
trện các công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn giờ đây đã có thể gửi một khối
lượng lớn các tín hiệu âm thanh, dữ liệu đến các địa điểm cách xa hàng 100km
bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần đến các bộ tái tạo.
Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh đang được tiến hành trong
lĩnh vực được gọi là photon học - là một lĩnh vực tối quan trọng đối với tất cả
các hệ thống thông tin quang, có khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền
dẫn thông tin bằng phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng
dụng rộng dãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21.
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

11
Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang.
Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồn
sáng), các sợi quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánh
sáng truyền qua sợi quang (hình 1.2). Dưới đây là các thành phần chính và chức
năng của hệ thống thông tin quang sợi.
1.2.1 Bộ phát quang
Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát
quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu
suất cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương
xứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao.
Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang.
Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực
hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợi
dẫn quang, bằng cách đưa nguồn tín hiệu điện vào thực hiện bức xạ quang.
Trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào
phần tử bức xạ quang. Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc
theo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ
12
thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều
tần nguồn phát quang.
1.2.2 Bộ thu quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là điốt quang kiểu thác (APD)
và điôt quang PIN. Phần thu quang thực chất là tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang
đưa đến thực hiện biến đổi trở lại tín hiệu điện và người ta còn gọi phần tử này
là bộ biến đổi quang điện. Tín hiệu quang qua bộ biến đổi quang điện, tạo ra tín
hiệu điện trước khi đưa vào mạch điều khiển (bộ chuyển đổi tín hiệu) phục hồi
lại tín hiệu như đã phát ở trạm trước.
1.2.3 Cáp sợi quang
Các thành phần chính được chọn để sử dụng là sợi quang đa mode chỉ số

bước, sợi quang đa mode chỉ số lớp và sợi quang đơn mode. Cáp sợi quang gồm
các sợi dẫn quang là bằng thủy tinh dùng để truyền dẫn ánh sáng và các lớp vỏ
bao bọc xung quanh để bảo vệ sợi. Cáp sợi quang được dùng để nối hệ thống
truyền dẫn từ đầu phát đến đầu thu.
1.2.4 Các thành phần khác
Ngoài các thành phần chính ở trên, trong hệ thống thông tin quang sợi còn
có các thành phần phụ sau:
- Bộ chia quang: Dùng để chia các tín hiệu quang cho các thiết bị khác khi
cần thiết.
- Bộ nối quang: Dùng để đấu nối cáp sợi quang với các thành phần chính
trong hệ thống truyền dẫn.
- Trạm lặp: Được sử dụng để thu tín hiệu quang, khôi phục lại tín hiệu, khử
bỏ tạp âm tích lũy trên đường truyền rồi khuếch đại sau đó phát tín hiệu đi tiếp.
Mục đích làm tăng cự ly truyền dẫn.
- Khuếch đại quang: thực hiện khuếch đại trực tiếp ánh sáng hay tín hiệu
nhằm tăng cự ly truyền dẫn.
13
1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang
1.3.1 Cấu tạo sợi quang

Hình 1.3 : Cấu tạo của sợi quang.
Trong đó: Core là lõi sợi quang.
Cladding là lớp vỏ sợi quang.
Buffer coating là vỏ bảo vệ (lớp phủ).
Sợi quang giống như một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng truyền
dẫn ánh sáng. Sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ được làm
bằng vật liệu thủy tinh có chiết suất n
1
. Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánh
sáng. Lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n

2
< n
1
. Lớp vỏ có thể là
thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do
điều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ
sợi quang (lớp phủ). Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào
sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát
bề mặt. Lớp vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp.
1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tượng phản
xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi
trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn. Để tìm hiểu về
sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của
ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt
phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
14
Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu
khi gặp bề mặt phản xạ.
Ta xét một ví dụ như sau: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có
chiết suất n
1
sang môi trường thứ hai có chiết suất n
2
trong đó n
1
> n
2
(hình 1.4).

Hình 1.4: Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng.
Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi trường một phần bị phản xạ, một
phần bị khúc xạ theo các góc và các tia như ở hình 1.4.
Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: θ = β
Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n
1
.sinθ

= n
2
.sinα
Do n
1
> n
2
nên θ < α. Nếu tăng góc tới θ thì góc khúc xạ tăng theo tới một giá trị
nào đó mà góc tới θ = θ
0
thì góc khúc xạ α = 90
0
. Khi đó tia khúc xạ song song
với mặt mặt phân cách hai môi trường. Lúc này θ
0
là giá trị tới hạn của góc tới
(gọi là góc tới hạn). Lúc này không còn tia khúc xạ nữa. Hiện tượng này gọi là
hiện tượng phản xạ toàn phần.
Góc tới hạn
1
2
0

sin
n
n
=
θ
hay
1
2
0
arcsin
n
n
=
θ
(1.1)
Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:
- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang
môi trường kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).
15
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong
sợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được
truyền đi từ đầu này tới đầu kia.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo
gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n
1
và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết
suất n
2
, với n

1
>

n
2
. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần
nhiều lần trên mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ (hình 1.5). Do đó ánh sáng có
thể truyền được trong sợi dọc theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một
độ cong có giới hạn.
Hình 1.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
Góc tới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là θ
o
, do vậy, góc tiếp nhận ánh sáng
tới hạn θ
io
sẽ thỏa mãn điều kiện:
n
o
.sin θ
io
= n
1
.sin θ
ro
= n
1
.sin (90
0
– θ
o

) = n
1
. cosθ
o

NAnn
n
n
nnn
i
=−=−=−=
2
2
2
1
2
1
2
2
10
2
100
1.sin1.sin.
θθ

(1.2)
Do chiết suất không khí là
1
0
=n

nên
2
2
2
10
sin nnNA
i
−==
θ
(1.3).
NA được gọi là độ mở số của sợi quang, θ
io
là góc tiếp nhận ánh sáng cực
đại, nó sẽ tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi
quang với góc θ
i
> θ
io
nằm ngoài hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi
ra ngoài vỏ sợi quang. Như vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi
truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó
16
tia sáng đi theo đường dích dắc. Nếu gọi
∆
là độ lệch chiết suất tương đối giữa
lõi và lớp vỏ thì:
1
21
n
nn −

=∆
.
Trên thực tế:
21
nn ≈
do đó:
∆≈
−
=−= 2
1
2
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
n
n
nn
nnnNA
(1.4)
1.4. Phân loại sợi quang
Có nhiều loại sợi quang, nó được phân loại theo nhiều cách khác nhau.
Dưới đây là 2 cách phân loại chính.
1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng

Theo phương pháp truyền sóng thì sợi quang được chia thành hai loại chính
là sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode).
Sợi đơn mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó.
Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó.
Các sợi đơn mode đều là những sợi có đường kính rất nhỏ vì điều kiện đơn
mode của sợi quang là sợi phải có đường kính nhỏ hơn một giá trị xác định
(tương ứng với bước sóng cắt), nếu bước sóng truyền vào nhỏ hơn đường kính
thì không còn là sợi đơn mode.
1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất
Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại:
- Sợi có chiết suất nhảy bậc SI (step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi
từ lõi ra đến vỏ theo những bậc thẳng xác định.
- Sợi có chiết suất biến đổi đều GI (Grade index): Là sợi có chiết suất biến
đổi giảm dần từ vỏ vào lõi.
1.5. Các thông số của sợi quang
Hai thông số quan trọng của môi trường truyền dẫn là suy hao và tán sắc.
1.5.1 Suy hao
17
a. Định nghĩa: Công suất quang truyền tải trong sợi cũng giảm dần theo cự
ly với qui luật hàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số
truyền công suất có dạng:
z
ePzP
10
)0()(
α
×=
(1.5)
Trong đó: P(0) là công suất ở đầu sợi (z = 0)
P(z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

α là hệ số suy hao
Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:
( )
2
1
lg10
P
P
dBA
=

Trong đó: P
1
= P(0): công suất đưa vào sợi.
P
2
= P(1) là công suất ở cuối sợi.
Hệ số suy hao trung bình
)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB
=
α
Trong đó: A là suy hao sợi
L là chiều dài sợi
b. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang
Công suất ánh sáng truyền trên sợi quang bị suy hao do sự hấp thụ của vật

liệu chế tạo sợi quang, sự tán xạ ánh sáng khi gặp các bất đồng nhất và sự khúc
xạ ánh sáng ra lớp vỏ tại chỗ sợi bị uốn cong quá mức.
Suy hao do hấp thụ: sự hấp thụ của các tạp chất kim loại
Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguông hấp thụ
năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt, đồng, mangan, choromiun,
cobra, niken.
Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước
sóng ánh sáng truyền qua nó. Với tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vài
tạp chất như hình dưới.
18
Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thủy tinh
thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10
-9
).
Hình 1.6: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại.
Sự hấp thụ của ion OH: Các liên kết giữa SiO
2
và các ion OH của nước còn
sót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ
đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và
1400nm (hình 1.7). Như vậy, độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân suy
hao sợi quang.
Hình 1.7: Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ 10
-6
).
Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại:
Ngay cả khi sợi quang được chế tạp từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự
hấp thụ vẫn xảy ra. Bản than thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng
cực tím và hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 1.8.
Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng

các bước sóng dài trong thông tin quang.
19
Hình 1.8: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại.
Suy hao do tán xạ gồm:
+ Tán xạ Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp
những chỗ bất đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xêp các phần tử thủy tinh,
các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. Khi kích
thước của vùng bất đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng
trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Tia sáng khi gặp những chỗ bất đồng
nhất này sẽ bị tán xạ ra nhiều hướng, trong đó chỉ một phần năng lượng ánh
sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại truyền theo các hướng khác
thậm chí truyền ngược lại nguồn quang. Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ
nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng (
4
−
λ
) nên giảm nhanh về phía bước
sóng dài như hình 1.9.
20
Hình 1.9: Suy hao do tán xạ Rayleigh.
Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng
1dB/km-2dB/km, ở bước sóng 1600nm suy hao chỉ khoảng 0.3dB/km và ở bước
sóng 1550nm suy hao này còn thấp nữa.
+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo:
Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ, 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
và suy hao dần.
+ Suy hao bị uốn cong:
- Vi uốn cong: khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ

thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lếch trục
khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố
trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng
lượng ra khỏi sợi. Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong
nhất là về phía bước sóng dài.
- Uốn cong: khi sợi bị uốn cong, góc tới của tia sáng tại chỗ bị uốn cong
sẽ nhỏ hơn góc tới hạn nên một phần tia sáng bị khúc xạ ra ngoài lớp vỏ và bị
suy hao. Bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càng tăng (hình 1.10).
21
Hình 1.10: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong R.
c. Phổ suy hao của sợi quang
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy
hao tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của
sợi quang. Hình 1.11 mô tả phổ suy hao của sợi trong các giai đoạn thời gian
khác nhau.
Hình 1.11: Phổ suy hao của sợi quang trong các giai đoạn thời gian khác nhau.
Từ phổ suy hao trên ta thấy sợi quang có ba vùng bước sóng có suy hao
thấp cho phép truyền ánh sáng gọi là ba cửa sổ truyền dẫn của sợi.
+ Cửa sổ quang 1: có bước sóng
nm)900800( ÷=
λ
.
+ Cửa số quang 2: có bước sóng
nm)13701270( ÷=
λ
+ Cửa sổ quang 3: có bước sóng
nm)16001500( ÷=
λ
22
1.5.2 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị
biến dạng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu
analog và làm các xung lân cận bị chồng lần trong tín hiệu digital. Sự tán sắc
làm hạn chế cự ly và tốc độ bit của đường truyền dẫn quang.

Hình 1.12: Dạng xung vào và ra.
a. Định nghĩa độ 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: τ
i
, τ
0

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 sợi ứng
với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là
ps/nm.km.
b. Các nguyên nhân gây ra 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.
- Tán sắc thể (chromatic dispersion) bao gồm: tán sắc chất liệu (material
dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng(waveguide dispersion).

23
Tán sắc thể: nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là
đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc
truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.
Tán sắc mode là do ảnh hưởng của việc truyền theo nhiều đường. Hiện
tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode.
Hình 1.13: Hệ số tán sắc mode (d
mod
) thay đổi theo chiết suất.
Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc mode là d
mod
vào số mũ trong hàm chiết
suất n được biểu diễn trên hình 1.13. Qua đó ta thấy d
mod
đạt cực tiểu khi n xấp
xỉ 2 và d
mod
tăng khá nhanh khi n có giá trị khác 2 về hai phía.
1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang
1.6.1 Ưu điểm
Trong thông tin quang sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử
dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm
vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng
(nhỏ), không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh
hưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện
truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay.
24
Trước hết, vì có băng thông lơn nên nó có thể truyền một khối lượng thông
tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một
hệ thống có cự ly đến 100 Ghz-km. Tương ứng bằng cách sử dụng sợi quang,

một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến
những địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo.
Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy, chũng có thể
được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng
không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp.
Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúng
không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ. Vì
vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. Điều đó có
nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi
trường phản ứng hạt nhân.
Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – là
những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều. Giá thành
của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra. Ngoài ra, như
đã đề cập ở trên, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầu
cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái
tạo hơn.
Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao,
tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn. Nó cũng dễ bảo dưỡng,
sửa chữa và có độ tin cậy cao. Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài
khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp. Trong bảng 1.2 chúng ta tổng hợp
các ưu điểm trên. Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các
mạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng
rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự,
cũng như các thiết bị đo.
1.6.2 Nhược điểm
25