cáp sợi quang và vấn đề suy hao của cáp sợi quang

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG
============================

ĐỀ TÀI: CÁP SỢI QUANG
VÀ VẤN ĐỀ SUY HAO CỦA CÁP SỢI QUANG
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Anh Quang
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Việt
Lớp: VT02A
Mã sinh viên: CCVT020044
Đà Nẵng, tháng 03 năm 2011
1. Lý do chọn đề tài
Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng
thuê bao do các ưu điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác. Cáp quang
ngày càng được nhiều nước sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông của mình bởi
vì nó có chất lượng truyền dẫn tốt hơn sơ với các hệ thống truyền dẫn khác – nó còn là
phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện. Nó đóng vai trò đă năng
truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thông có chất lượng cao đồng bộ và hiện đại như: Truyền
số liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa, truyền dẫn các thông tin đa
phương tiện…
Cùng với những ưu điểm như: Độ suy hao thấp, độ rộng băng tần cao, đường kính
sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ, đặc tính cách điện cao, tiết kiệm tài nguyên…
Vì những lý do trên nên em xin được báo cáo đề tài CÁP QUANG để hiểu hơn
được các mặt ưu và nhược điểm của cáp quang.
2. Ý nghĩa thực tiễn.
Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên
thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng.Các
ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc
độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một - FTTH
(Fiber To Home) là một điển hình. FTTH đáp ứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết
nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP

Camera
3. Kế hoạch thực hiện:
Thời gian Công việc Kết quả đạt
được
Đánh giá
Tuần 1 + Sưu tầm tài liệu, viết
đề cương sơ bộ
Đề cương sơ bộ
Tuần 2
+ Nghiên cứu và hoàn
thành các vấn đề cơ bản về
Cáp sợi quang
Hoàn thành được
chương 1
Tuần 3
+ Nghiên cứu và hoàn
thành vấn đề suy hao của cáp
sợi quang
Hoàn thành được
chương 2
Tuần 4
+ Khảo sát các vấn đề
suy hao sợi quang trên phần
mềm Optisystem
+ Nêu nhận xét và kết
luận khi khảo sát trên phần
mềm Optisystem
Hiểu được cách
khảo sát trên phần
mềm Optisystem

Thấy được vấn đề
suy hao sợi quang
trên phần mềm
Optisystem
Tuần 5
+ Hoàn thành hết các
nội dung ở các mục trên
+ Sửa lại các lỗi có
trong đề tài
+ In và trình diễn đề
Hoàn thành đề tài
tài lên Power Point
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁP SỢI QUANG
1.1 Khái niệm về cáp sợi quang
1.2 Lịch sử phát triển
1.3 Đặc tính lan truyền trong sợi quang
1.4 Cấu tạo của sợi quang
1.4.1 Lõi sợi quang
1.4.2 Võ cáp sợi quang
1.4.3 Phần tử gia cường
1.4.4 Các thành phần khác trong lõi cáp
1.5 Phân loại sợi quang
1.5.1 Phân loại theo vật liệu điện môi
1.5.2 Phân loại theo mode truyền lan
1.5.3 Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ
1.6 Tán sắc trong sợi quang
1.6.1 Tán sắc mode
1.6.2 Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode
1.7 Ứng dụng và ưu nhược điểm của sợi quang

1.7.1 Ưu điểm
1.7.2 Nhược điểm
1.7.3 Ứng dụng của cáp sợi quang
CHƯƠNG II: SUY HAO TRONG SỢI QUANG
2.1 Định nghĩa suy hao trong sợi quang
2.2 Các nguyên nhân gây Suy hao quang
2.2.1 Suy hao do hấp thụ
2.2.1.1 Hấp thụ do tạp chất
2.2.1.2 Hấp thụ vật liệu
2.2.1.3 Hấp thụ cực tím (điện tử)
2.2.2 Suy hao do tán xạ Rayleigh
2.2.3 Tán xạ Mie
2.2.4 Suy hao và dải thông
2.2.5 Các Suy hao khác
2.2.5.1 Suy hao lớp vỏ và lõi
2.2.5.2 Suy hao uốn cong sợi
2.2.5.3 Suy hao do hàn nối
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT VẤN ĐỀ SUY HAO SỢI QUANG TRÊN
PHẦN MỀM OPTISYSTEM
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁP SỢI QUANG
1.1 Khái niệm về cáp sợi quang
Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa và
sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.
Hình 1.1: Cáp sợi quang
1.2 Lịch sử phát triển
-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.
1.3 Đặc tính lan truyền trong sợi quang
Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất đồng nhất. Hiện tượng
phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách
giữa hai môi trường có chỉ số chiết suất khác nhau, tia sáng nào khi tới mặt
phân cách giữa hai môi trường mà quay trở lại môi trường ban đầu đó là tia
phản xạ, còn tia sáng nào đổi hướng đi qua mặt phân cách vào môi trường
khác đó là tia khúc xạ. Theo định luật Snell ta có quan hệ:
- n1.sin φ1 = n2.sinφ2.
- n
1
: chỉ số chiết suất môi trường thứ nhất;

- n
2
: chỉ số chiết suất môi trường thứ hai;
- φ1: là góc tới hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường
với tia tới.
- φ2: là góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với
tia khúc xạ.
Hình 1.2: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
1.4 Cấu tạo cáp sợi quang
1.4.1 Lõi cáp sợi quang:
Bao gồm sợi quang đặt trong ống đệm chặt hoặc ống đệm lỏng được liên
kết với nhau bằng cách xoắn quanh một phần tử trung tâm gọi là phần từ gia
cường
Bước xoắn phải đủ dài để cho sợi quang không bị cong quá mức quy định
và đủ ngắn để đủ độ giãn dài khi bị kéo căng cáp.
Phần tử trung tâm làm bằng các plastic có các rãnh vừa là chức năng gia
cường vừa để đặt sợi theo hình xoắn ốc. Các ống đệm cũng bằng plastic
Các đặc tính cơ bản của plastic được dùng để sản xuất ống đệm hoặc phần
từ gia cường (làm lõi của cáp quang) theo bảng sau:
1.4.2 Vỏ cáp quang:
Để bảo về lõi cáp khỏi bị ảnh hưởng từ bên ngoài. Các võ plastic( một
hoặc nhiều võ) để bao bọ lõi cáp.
- Vỏ ngoài cùng làm từ PVC, Polyethylen và Polymethame. Loại này có
đặc tính cơ học tốt, chống cháy có độ ẩm cho phép cao. PE có tính cơ và
hóa tốt, chống cháy kém, hệ số ma sát thấp thuận lợi cho khi kéo cáp vào
cống.
- Võ trong cùng thường dùng Polymethame vì nó mềm dẻo.
- Lớp chắn hơi ẩm thường là nhôm mỏng quấn kín lõi cáp và ở phía trong
vỏ lớp ngoài cùng: Khi võ ngoài bị phồng lên thì lớp các lá nhôm nà vẫn
ôm chặt lớp phía trong như vậy ngăn được nước đang nằm trong lớp võ

ngoài thấm vào trong.
- Võ bảo vệ bằng kim loại (Armuor) bằng các sợi thép hoặc bằng thép có
múi được dùng cho cáp chôn trực tiếp để bảo vệ các ứng suất xuyên tâm
và chống gặm nhấm
1.4.3 Phần tử gia cường:
- Phần tử gia cường được đặt trong lõi cáp quang để tạo ra sức chịu lực
căng và sức chống co để đảm bảo cho cáp được ổn định khi lắp đặt cáp,
khi nhiệt độ của môi trường thay đổi.
- Phần tử gia cường phải là vật liệu nhẹ, mềm dẻo có modul đàn hồi cao
- Phần tử gia cường có thể là:
- Kim loại: thường là các loại dây thép được đặt tại tâm hoặc vỏ của cáp khi
dùng thép phải chú ý chống ăn mòn và chống điện áp cao do sét đánh
- Phi kim loại: thường là dây thủy tinh Plastic tăng cường (G-FRP) hoặc là
các sợi amid. Thường đặt ở tâm cáp có độ mềm dẻo cáo (hoặc đặt phân
tán trong vỏ cáp)
Hình 1.3: Cách đặt phần tử gia cường
1. Phần tử gia cường
2. Lõi cáp.
3. Ống đệm.
1.4.4 Các thành phần khác trong lõi cáp.
a) Các dây dẫn có cách điện: các dây này là một thành phần của lõi cáp
dùng để truyền các kênh nghiệp vụ hoặc để phát hiện thấm nước vào cáp
hoặc cấp nguồn từ xa nhưng sự có mặt của các dây này gây ra nhược điểm
cho cáp là hiện tượng cảm ứng điện từ của dây cao áp hoặc sét
b) Các lớp đệm lót được sử dụng để bảo vệ lõi cáp từ lực nét xuyên tâm: đó
là các vật liệu Plastic quấn hình trôn ốc quanh lõi cáp.
c) Các băng quấn quanh lõi cáp: các băng này có hai chức năng:
- Liên kết các thành phần của lõi cáp với nhau.
- Tạo ra lớp ngăn nhiệt khi bị nóng và phồng ra
d) Một bộ phận để bơm trơn không khí khô để chống ẩm vào và chống nước

e) Chất độn làm đầy để bảo vệ lõi cáp không bị hơi ẩm thấm vào trong và
chống nước ngấm dọc cáp khi vỏ cáp bị thủng. Nó có tác dụng ổn định
hóa học không tạo khí Hydrogen. Chất độn chủ yếu nằm trong vỏ cáp có
khi cả lõi cáp.
1.5 Phân loại sợi quang:
1.5.1 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)/
1.5.2 Phân loại theo mode lan truyền:
Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:
- Sợi quang đơn mode (được gọi là SM): loại này chỉ cho một mode lan
truyền
- Sợi quang đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền
1.5.3 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ:
Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:
a. Sợi quang đa model chiết suất phân bậc:
Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đso 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 ton đến các địa điểm xa vài chục MHz-Km.
b. 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.
c. 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).
1.6 Tán sắc trong sợi quang :
Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn
rộng các xung ánh sáng ở đầu thu. Thậm chí trong vài trường hợp các xung
lân cận còn đè lên nhau, dẫn đến không phân biệt được xung, gây méo tín
hiệu khi tái tạo. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà
các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sang phát đi đồng thời.
Tán xạ có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn cụ thể là:
• Khi truyền tín hiệu số trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng các
xung ánh sáng.
• Khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm và gây
ra hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang bị giới
hạn, ảnh hưởng của tán xạ được mô tả như sau:
Hình 1.4: Ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và tín hiệu

analog(b)
S: chỉ tín hiệu phát
E: chỉ tín hiệu thu
1.6.1 Tán sắc mode
• Tán sắc mode tồn tại trong tất cả các sợi quang đa mode, không có
trong đơn mode
• Tán sắc mode còn gọi là tán sắc giữa các mode
• Tán sắc mode là do các mode truyền trong sợi với tỷ lệ khác nhau và
đến cuối đầu thu tại các thời điểm khác nhau, nghĩa là truyền tốc độ
như nhau nhưng đến đầu thu không đồng thời.
• Trong các sợi đa mode có sự khác nhau về tốc độ nhóm giữa các dạng
sóng. Tuy các dạng sóng xuất phát từ đầu sợi tại cùng một thời điểm
nhưng đến cuối sợi thì không đồng thời. Giữa các dạng sóng (các tia
sóng) nhanh nhát và chậm nhất gây ra độ lệch thời gian đặc trưng cho
tán sắc mode.
1.6.2 Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode
Tán sắc sắc thể có trong sợi đa mode và đơn mode:
- Tán sắc sắc thể gây ra do sự phụ thuộc của tốc độ nhóm vào bước
sóng nhóm của tín hiệu và làm cho thời gian tới của cac thành phần
có bước sóng khác nhau không như nhau.
- Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng:
• Tán sắc vật liệu: là do các bước sóng khác nhau từ nguồn quang
và truyền với tốc độ khác nhau do sự thay đổi các chỉ số khúc xa
theo bước sóng.
• Tán sắc ống bán dẫn: là do sự phụ thuộc không tuyến tính của hằng
số chuyền lan vào tần số bước sóng trong ống dẫn quang.
1.7 Ứng dụng và ưu nhược điểm của sợi quang
1.7.1 Ưu điểm
- Dung lượng lớn
- Kích thước và trọng lượng nhỏ do đó dễ dàng lắp đặt

- Không bị nhiễu bởi các tín hiệu 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 dung 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 cao 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 RS232, RS422, V.35, Ethernet, Arcnet,
FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp
- Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát quang còn hệ
thống cáp sợi quang vẫn có thể được giữ nguyên
1.7.2 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.
1.7.3 Ứng dụng của cáp sợi quang
- Thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền dẫn tín hiệu ở các
tuyền trong nươc, các tuyến xuyên lục địa, xuyên các đại dương. Công
nghệ thông tin này đã tạo ra thông quang phát triển và thay đổi theo xu
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 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 thời gian ngắn,

CHƯƠNG II: SUY HAO TRONG SỢI QUANG
2.1 Định nghĩa suy hao trong sợi quang
Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình
truyền dẫn trên một khoảng cách xác định.
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.
Hình 2.1: Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng qua các giai đoạn
khác nhau
2.2 Các nguyên nhân gây suy hao quang
Hình 2.2: Các nguyên nhân suy hao trong cáp sợi quang
2.2.1 Suy hao do hấp thụ (Absorption)
+ Hấp thụ do lỗi nguyên tử trong cấu tạo thủy tinh (sự không hoàn hảo của
cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợi: thiếu hụt phân tử, cụm nhóm nguyên
tử mật độ cao…)
+ Hấp thụ bên ngoài do những nguyên tử không sạch trong vật liệu thủy
tinh (ion chuyển tiếp kim loại như đồng, sắt hay ion Oh). Ví dụ:
- Ion kim loại mật độ 1 đến vài phần tỷ gây ra suy hao khoảng 1-10
dB/km
- Mật độ ion OH phải nhỏ hơn vài phần tỷ để có được suy hao nhỏ
hơn 20dB/km
+ Hấp thụ bên trong do cấu tạo nguyên tử cơ bản của vật liệu sợi. Bắt nguồn
từ:
- Dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím: hấp thụ cực tím giảm theo
hàm mũ khi bước sóng tăng
- Dải dao động nguyên tử trong vùng gần hồng ngoại
2.2.1.1Hấp thụ do tạp chất:
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.
Hình 2.3: Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng
2.2.1.2 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.
2.2.1.3Hấp 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.
2.2.2 Suy hao do tán xạ Reyleigh
Hình 2.4: Suy hao tán xạ Reyleigh
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
2.2.3 Tán xạ Mie
Tán xạ này xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ tương đương
với bước sóng (lớn 1/10) lan truyền trong sợi quang cà chủ yếu là trong hướng
tới ( hướng lan truyền). Tán xạ này có thể giảm đến mức không đáng kẻ bằng
các biện pháp giảm tính không đồng nhất như: loại bỏ tạp chất trong quá trình
sản xuất thủy tinh, điều kiện không chặt chẽ quá trình kéo và bọc sợi quang,
tăng độ lệch chiết suất tương đối.

Hình 2.5: Suy hao tán xạ Mie
Hình trên cho ta thấy có 3 dải bước sóng có suy hao thấp có thể sử dụng
cho băng thông tin quang là 0.8
m
µ
, 1.3
m
µ
và 1.55
m
µ
tương ứng với các suy
hao cơ bản là 2.5, 0.4 và 0.25 dB/km
m
µ
2.2.4 Suy hao và dải thông
Dải thông có thể được các định bằng
λ
∆
hoặc
f∆
. Chúng liên hệ với nhau
bởi phương trình.
2
c
f
λ
λ
∆ ≈ ∆
Xét bước sóng 1.3 và 1.5

m
µ
, đây là bước sóng cơ bản của hệ thống thông
tin quang ngày nay, dải thông này có thể được tính trên suy hao dB trên km
trong hệ số 2, được xấp xỉ 80 nm ở bước sóng 1.3
m
µ
và 180 nm ở bước sóng
1.55
m
µ
. Trong tần số quang dải thông này lên đến khoảng 35000 Ghz. Đây là
một băng thông lớn, trong khi đó tốc độ bit cần cho các ứng dụng ngày nay
không vượt quá vài chục Mbps.
2.2.5 Các suy hao khác:
2.2.5.1 Suy hao do lớp vỏ và lõi
Dựa vào việc đo suy hao truyền dẫn trên sợi quang trong thực tế, có thể
xác định đồng thời tất cả các suy hao do tán xạ và các suy hao khác. Vì lõi và
lớp vỏ có chiết suất khác nhau nên nhìn chung chúng có hệ số suy hao khác
nhau, được ký hiệu là
1
α
và
2
α
. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của quá trính ghép mode,
suy hao mode bậc đối với ống dẫn sóng chiết suất phân bậc (SI) được biễu diễn
như biểu thức:
P
P

P
P
vm
2
2
1
1
ααα
+=
Trong đó,
P
P
1
và
P
P
2
là tỉ số suy hao công suất trong vỏ và lớp vỏ so với
suy hao tổng. Có thể viết lại dưới dạng:
P
P
vm
2
12
)(
αααα
−+=
Đối với trường hợp sợi quang GI, việc tính toán phức tạp hơn, cả hệ số
suy hao và công suất mode được xem là các hàm số trong tọa độ trục. Tại
khoảng cách từ trục lõi, suy hao được biễu diễn:

2
2
2
22
21
)0(
)()0(
)()(
nn
rnn
r
−
−
−+=
αααα
Với
1
α
và
2
α
lần lượt là hệ số suy hao của sợi trên trục và võ
Suy hao của một mode được biễu diễn như sau:
∫
∫
∞
∞
=
0
0

)(
)()(
rdrrp
rdrrpr
gi
α
α
Trong đó p(r) là mật độ công suất của mode đó tại r
2.2.5.2 Suy hao uốn cong sợi
Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) của
sợi. Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó 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 như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có hai loại uốn cong
sợi là:
+ Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc
lớn hơn hơn đường kính sợi, chẳng hạn trong trường hợp ta uốn sợi theo
một góc nào đó.
+ Vi uốn cong: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này hay
xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp.
Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới
hạn ở các vị trí sợi bị uốn cong. Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường chỉ gọi là
uốn cong cho đơn giản) thì hiện tượng suy hào nay quan sát được khá rõ khi
phân tích trên sợi có khẩu độ số NA nhỏ.





























+
∆
+
−=
∞
3
2
2
2

32
2
2
1
kRnR
a
NN
eff
α
α
Hình 2.6: Suy hao do uốn cong

Nếu nhận xét một cách định tính, hiệu ứng suy hao có thể được diễn giải khi
xem xét sự phân bố trường điện mode. Ở đây, ta coi sợi dẫn quang là một ống
dẫn được cấu tạo bằng chất cách điến có chiết suất n
1
đặt kẹp giữa vật liệu cách
điện có chỉ số chiết suất n
2
< n
1.
Đây là quá trình thể hiện dạng đơn giản nhất của
tín hiệu quang lan truyền trong sợi, nó mô ta các mẫu trường của một vài mode
bậc thấp hơn. Bất kỳ mode nào ở biên lõi sợi đều có phần đuôi nằm trong vỏ
sợi, phần đuôi này thoái hóa theo hàm mũ như là một hàm của khoảng cách tính
từ lõi sợi. Vì đuôi trường này di chuyển dọc theo trường trong lõi, cho nên một
phần năng lượng của mode truyền lan sẽ đi vào trong lớp vỏ phản xạ của sợi.
Khi bị sợi uốn cong, đuôi trường ở bên phía xa tâm chỗ uốn cong phải di chuyển
nhanh hơn để theo kịp được với trường ở phía trong lõi cho mode sợi bậc thấp
nhất. Ở cự ly tới hạn x

c
tính từ tâm của sợi, đuôi trường sẽ phải chuyển động
nhanh hơn tốc độ của ánh sáng để theo kịp với trường ở lõi sợi. Mà điều này
không thể xảy ra cho năng lượng ánh sáng trong đuôi trường ở bên kia x
c
sẽ phát
xạ hết đi.
Sự phát xạ trường ở đoạn uốn cong sợi nhiều hay ít tùy thuộc vào cường độ
trường tại x
c
và bán kính uốn cong R. Vì các mode bậc cao ít ràng buộc với lõi
sợi hơn là các mode bậc thấp hơn cho nên các mode bậc cao sẽ phát xạ ra ngoài
đầu tiên, ở đây tổng số mode theo sợi cong sẽ ít hơn sợi thẳng. Ta có được
phương trình sau đây đối với mode hiệu dụng N
eff
được dẫn bằng sợi đa mode bị
uốn cong với bán kính a:
Một dạng khác của suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là suy hao do vi
uốn cong ngẫu nhiên gây ra. Vi uốn cong sợi là sự dao động lặp đi lặp lại trong
phạm vi nhỏ của trục sợi, chúng nảy sinh cả trong trường hợp không đồng đều
khi chế tạo sợi cũng như khi có áp lực bên trong không đều trong lúc bọc cáp.
Vi uốn cong gây ra suy hao là do chỗ cong sợi tạo nên sự nối tiếp năng lượng
lặp đi lặp lại giữa các mode được dẫn và sự suy yếu các mode trong sợi.
Một phương pháp để giảm suy hao vi uốn cong tới mức nhỏ nhất là bọc
một lớp vỏ có khả năng chịu nén cho sợi. Khi có lực bên ngoài tác động vào thì
võ này sẽ bị biến dạng trước nhưng sợi sẽ vẫn định hướng tương đối thẳng. Đối
với loại sợi đa mode gradien có bán kính lõi a, bán kính ngoài a (kể cả vỏ bọc
bảo vệ chịu nén), chênh lệch chỉ số chiết suất là
∆
, thì suy hao uốn cong là

m
α
của sợi đã bọc vỏ bảo vệ này sẽ giảm so với khi không có vỏ bảo vệ là:
2
4
2
1)(
−














∆+=
j
f
m
E
E
a
b

F
πα
Ở đây E
j
và E
f
tương ứng là các mô-đun Young của vỏ bảo vệ và sợi. Mô-
đun Young của các vật liệu vỏ bảo vệ nằm trong dải từ 20 đến 500 Mpa, còn
Mô-đun Young thủy tinh Dioxit Silic là khoảng 65 Gpa.
Rõ ràng rằng là uốn cong và vi cong đều có thể gây ra suy hao. Giá trị suy hao
sẽ tùy thuộc vào bán kính uốn cong của sợi, bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy
hao càng lớn. Một vấn đề cần chú ý là suy hao uốn cong cũng phụ thuộc vào
bước sóng. Đối với sợi đơn mode, cả uốn cong vĩ mô và vi uốn cong đều đóng
vai trò quan trọng trong việc thiết kế sợi
2.2.5.3 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.