đồ án tốt nghiệp- hệ thống thông tin quang

Đồ Án Tốt Nghiệp

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Đỗ Xuân Thụ
Họ và tên sinh viên: Phạm Quang Nam Ngày sinh: 08 – 10 – 1991
Lớp: K12A Khóa: 2009 – 2013 Ngành học: Điện tử viễn thông
1. Tên đề tài tốt nghiệp: Hệ thống thông tin quang
Các số liệu ban đầu:



2. Nội dung các phần lý thuyết và tính toán:



3. Các bản vẽ và đồ thị:


4. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế :


5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế:

.
CHỦ NHIỆM KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN ĐÃ HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Viện Đại Học Mở Hà Nội

1
Đồ Án Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 4
CHƯƠNG I 7
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 7
1.1. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang 7
1.2. Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang 8
a). Hệ thống truyền dẫn quang có những ưu điểm 8
b). Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn quang 8
1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn thông.
9
1.3.1. Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cường độ tách sóng
9
trực tiếp 9
1.3.2. Hệ thống thông tin quang coherent 11
1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang 13
1.4.1. Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( wdm ) 13
1.4.2. Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật
phân kênh theo tần số ( fdm – frequency division multiplex) 15
CHƯƠNG II 16
CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 16
2.1. Giới thiệu cấu trúc tổng thể về sợi quang 16
2.1.1. Lý thuyết về sợi quang 17
a). Chiết xuất của môi trường 17
b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 18
c). Sự phản xạ toàn phần 19
2.1.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang 20
a). Nguyên lý truyền dẫn chung 20

b). Khẩu độ số: ( numerical aperture ) 20
2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 22
a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( si : step – index ) : 23
b). Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi gi : graded – index ) : 23
c). Các dạng chiết suất khác: 24
2.1.4. Sợi quang đơn mode (Single mode) và sợi quang đa mode (multi
mode) 25
a). Cấu tạo sợi đa mode: 27
b). Cấu tạo sợi đơn mode: 27
2.2. Suy hao sợi quang: 29
2.2.1. Định nghĩa : 29
2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang : 30
a). Suy hao do hấp thụ : 30
b). Suy hao do tán xạ : 32
Viện Đại Học Mở Hà Nội
2
Đồ Án Tốt Nghiệp

c). Suy hao do sợi bị uốn cong : 33
d). Suy hao do hàn nối 34
e). Suy hao ghép nối giữa sợi quang và linh kiện thu phát quang 36
2.2.3. Đặc tuyến suy hao: 38
2.3 . Tán xạ trong sợi quang : 39
2.3.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán sắc 39
2.3.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ
truyền dẫn bit 40
2.3.3. Các loại tán sắc : 42
a). Tán xạ vật liệu : 42
b). Tán sắc dẫn sóng : 45
c). Tán xạ mode 46

d). Tán xạ mặt cắt: 50
e). Tán sắc tổng cộng: 50
f). Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt: 54
2.3.4. Ảnh hưởng của sự trộn mode trong sợi quang: 55
2.3.5. Sự trộn mode vừa có vừa tác dụng vừa gây hại được cụ thể như
sau: 56
2.4. Các thông số hình học : 58
2.5. Yêu cầu kỹ thuật đối với cáp sợi quang: 59
CHƯƠNG III 61
MỘT SỐ CÁP SỢI QUANG 61
3.1.Ứng dụng của ống đệm trong cáp sợi quang 61
3.1.1. Các loại ống đệm 61
a). Một sợi ống đệm lỏng 61
b). Ống đệm lỏng nhiều sợi 64
3.1.2. Ống đệm chặt 65
3.2. Cấu trúc tổng thể các loại cáp sợi quang 65
3.2.1. Cấu trúc cáp chôn 66
3.2.2. Cấu trúc cáp treo 67
3.2.3. Cấu trúc cáp quang biển 68
3.2.4. Cáp trong nhà 69
3.3.Các biện pháp bảo vệ cáp quang 69
3.3.1. Độ chôn sâu cáp 70
3.3.2. Chống mối và chống chuột 71
3.3.3. Chống ảnh hưởng của sét 71
KẾT LUẬN 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74
Viện Đại Học Mở Hà Nội
3
Đồ Án Tốt Nghiệp

====***====
Trong những năm gần đây các hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ
hơn bao giờ hết. Trên thế giới bước vào thời đại cạnh tranh trong lĩnh vực
thông tin, cùng với sự phát triển của thế giới, Việt Nam ngày càng hòa nhập
và tương xứng với các nước trong lĩnh vực thông tin, viễn thông. Các mạng
thông tin điển hình có cấu trúc điển hình gồm có các nút mạng được tổ chức
nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng
viba, thông tin vệ tinh…Nhu cầu về truyền thông ngày càng tăng trong khi
các mạng truyền dẫn như trên không thể đáp ứng được yêu cầu vì những lý do
khác nhau.
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.
Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới
dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (Cáp quang được
chế tạo từ sợi thủy tinh). Cáp quang đang 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 trên
thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có
Viện Đại Học Mở Hà Nội
LỜI NÓI ĐẦU
4
Đồ Án Tốt Nghiệp

phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh, nó
còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện kể cả trong
thời bình hay thời chiến tranh điện tử, nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch
vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục
vụ hội nghị truyền hình, truyền dữ liệu từ xa….
Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại cồng kềnh và
tốn kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột
điện lực thâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã , phố , phường… Nó
sẽ xuyên trái đất, vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền
dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường
phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hóa, đời
sống và phục vụ mọi nhu cầu cho con người trong thời đại thông tin hiện nay
và là yếu tốt chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này.
Từ khi ra đời cho đến nay cáp sợi quang đã chứng tỏ được những ưu
điểm vượt trội so với các phương thức truyền dẫn khác như độ suy hao thấp,
cho phép kéo dài trạm lặp, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ dễ lắp đặt, hoàn
toàn cách điện, không bị can nhiễu bởi trường điện từ, vật liệu chế tạo sẵn có
trong tự nhiên (SiO2), giá thành thấp. Chính vì thế hệ thống truyền dẫn thông
tin cáp quang đang chiếm tỷ lệ rất lớn ở nước ta.
Trong vòng mười năm qua, cùng với sự vượt bậc của công nghệ điện
tử , viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ
vượt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc phát triển ngày
càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã
được khai thác phổ biến trên mạng lưới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai
phá các tiềm năng của nó, như ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin
quang có một tiềm năng vô cùng phong phú và công việc nghiên cứu phát
triển còn đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn.
Viện Đại Học Mở Hà Nội
5

Đồ Án Tốt Nghiệp

Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, viễn
thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc,
giá thành giảm tạo điều kiện cho việc được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh
vực thông tin. Tạo đà cho công nghệ thông tin truyền thông ngày càng phát
triển hơn.
Đồ án này em thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu về các hệ thống
truyền dẫn bằng sợi cáp quang, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống và các
thông số của sợi quang. Để hiểu biết đầy đủ về rõ ràng về hệ thống, tính năng
của thiết bị, cách khai thác thiết bị tối ưu nhất trên cơ sở vật chất hiện có.
Với mục đích đó đề tài của em được chia làm 4 chương :
Chương I : Tổng quan về thông tin quang
Chương II : Các thông số của sợi quang
Chương III : Một số cáp sợi quang
Chương IV : Một số phương pháp đo trên sợi quang.
Nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy : Đỗ Xuân Thụ, em đã hoàn thành đồ
án này. Em xin chân thành cảm ơn thầy.

Viện Đại Học Mở Hà Nội
6
Đồ Án Tốt Nghiệp

Từ xa xưa loài người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ
tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ ra gương Tiếp đó, một hệ thống thông
tin điều chế rất đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các
đèn hiệu. Sau đó năm 1791 VC.Chape phát minh ra một máy điện báo quang.
Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó
chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết. Để giải quyết hạn chế này Marconi
đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa

những người gửi và người nhận ở xa nhau.
Ý tưởng truyền ánh sáng trong sợi thuỷ tinh có thể coi bắt nguồn từ thí
nghiệm về “suối ánh sáng” của John Tydll ở anh vào thế kỷ thứ 19 (năm
1870). Người ta quan sát ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể truyền
qua một dòng nước hẹp do hiện tượng phản xạ toàn phần .
Các thí nghiệm đầu tiên về truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tinh được
thực hiện ở Đức vào năm 1930. Do các sợi thuỷ tinh lúc bây giờ chỉ có một
lớp chiết xuất nên dễ gãy và suy hao rất lớn .
Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đã cho phép phát triển những
ứng dụng mới trên sợi quang sau khi laser ra đời, người ta đã thực hiện những
hệ thống thông tin quang thử nghiệm, lấy không khí làm môi trường truyền
dẫn như thông tin bằng sóng vô tuyến. Nhưng việc truyền ánh sáng trong
không khí thường bị hạn chế bởi điều kiện, hạn chế do tính truyền thẳng của
tia cũng như các điều kiện thời tiết như mưa bão, sương mù, nhiệt độ thay
đổi làm cho thông tin mất ổn định hơn sóng vô tuyến. Người ta dự tính có
thể truyền qua những khoảng cách xa nhờ sợi quang, nhưng suy hao của sợi
quang ở thời điểm này là rất lớn ( 1000db/km vào năm 1967 ). Do vậy ,việc
Viện Đại Học Mở Hà Nội
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang.
7
Đồ Án Tốt Nghiệp

sử dụng sợi quang chỉ là hạn chế ở những khoảng cách ngắn và trong phòng
thí ngiệm. Vào năm 1970 người ta chế tạo thành công sợi quang bằng silic có
suy hao 20 db/km, năm 1976, hệ thống thông tin bằng sợi quang dài 10km lần
đầu tiên được lắp đặt tại atlanta (Mỹ) với tốc độ 45mbit/s .
Với những tiến bộ đạt được trong việc chế tạo các linh kiện vi điện tử ,
điện quang và những công nghệ mới như khuếch đại quang, ghép kênh theo

bước sóng, đã giúp chúng ta thực hiện các hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến
40 g bit/ s với cự li đến hàng nghìn km (tuyến sea - me - we 3).
Các hệ thống truyền dẫn quang không những được sử dụng ngày càng
nhiều trong mạng viễn thông mà còn thêm nhiều ứng dụng trong hệ thống
công nghiệp và dân dụng .
a). Hệ thống truyền dẫn quang có những ưu điểm.
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 thz ở nm) và suy hao thấp (0,2 – 0,25
db / km ở bước sóng 1550nm). Độ rộng băng tần lớn và suy hao thấp điều này
cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li rất xa. Sợi quang không bị ảnh
hưởng của nhiễm điện từ. Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị rò
sóng điện từ như cáp kim loại. Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn
bởi a xit, kiềm, nước có độ bền cao.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit
cao hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh.
b). Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn quang.
- Không truyền dẫn được nguồn năng lượng có công suất lớn, chỉ hạn
chế ở mức công suất cở vài miliwat.
- Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li hệ
thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ
thống dùng cáp kim loại .
Viện Đại Học Mở Hà Nội
1.2. Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang.
8
Đồ Án Tốt Nghiệp

- Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo các linh kiện rất tinh vi và
đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối là trong việc hàn nối là phức tạp.
- Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian là khó vì không lợi dụng
luôn được đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện .
1.3.1. Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cường độ tách sóng

trực tiếp.
Trong hệ thống điều chế cường độ – thu trực tiếp, người ta dùng tín
hiệu điện để điều chế cường độ bức xạ của nguồn quang. Ở đầu thu và tín
hiệu được tách ra trực tiếp trên diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận
được .
Các hệ thống truyền dẫn hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên hệ thống
điều chế cường độ thu trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện do các
phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang đều không đòi hỏi cao về các
thông số, chế độ hoạt động : Bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực
nhưng khi truyền dẫn ở tốc độ cao từ 2,5 gbit/s trở lên thì độ nhạy thu bị giảm
mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng được băng
tần rất rộng của sợi quang ( hàng chục nghìn ghz).
Các hệ thống thông tin quang hiện nay truyền có tốc độ bit theo tiêu
chuẫn phân cấp đồng bộ (sdh): 155m bit/s 622m bit/s 2500m bit/s và 10gbit/s.
nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang, cự li các tuyến thông tin cáp sợi quang
2,5 gbit/s trên đất liền đạt khoảng 150 km. Với hệ thống cáp quang thả biển,
người ta đã thực hiện tuyến 2,5 gbit/s có chiều dài 10.073km trên tuyến sử
dụng 199 bộ khuếch đại quang edfa.(erbium doped fiber amplifier ).
Viện Đại Học Mở Hà Nội
1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn
thông.
9
Đồ Án Tốt Nghiệp

Bộ biến đổi e/0 Bộ biến đổi o/e
cáp
Cáp Cáp
quang quang
Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến
Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Hệ thông tin quang gồm các thành phần chính :
Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp
(2mbit/s, 34mbit/s, 140m bit/s,158mbit/s ) thành luồng tín hiệu có tốc độ bit
cao hơn và ngược lại .
Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều
biến các tín hiệu thành các tín hiệu quang để truyền vào sợi quang. Các hệ
thống thông tin quang coherent trong tương lai thì áp dụng nguyên lý điều pha
hoặc điều tần tín hiệu quang.
Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng.
Trạm lặp : Hoặc là bộ khuếch đại quang đối với tuyến có tín hiệu dài .
Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành
tín hiệu điện , khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu .
Các hệ thống thông tin quang đã phát triển qua 4 thế hệ:
Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( step index – si ) và
chiết suất biến đổi ( graded index – gi ), hoạt động ở bước sóng 850nm. Linh
kiện thu, phát thường được sử dụng là led và diode pin.
Viện Đại Học Mở Hà Nội
10
khối
ghép
kênh
bộ
điều
khiển
nguồn

quang
trạm
lặp
khuếch

đại
khôi
phục

tín
hiệu
khối
tách
kênh
các
luồng tín
hiệu điện
các luồng
tín hiệu
điện
Đồ Án Tốt Nghiệp

Thế hệ 2: Sử dụng sợi quang đa mode, gi, hoạt động ở bước sóng
850nm và 1300nm. nhờ sử dụng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang
thế hệ 2 có thể truyền hàng chục mbit/s qua cự ly vài chục km (b.l∼ 1000mhz.
km).
Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode, hoạt động ở bước sóng
1300nm. Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao hơn nhiều sợi
quang đa mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 3 có thể truyền tốc độ
hàng trăm mbit/s qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km.
Thế hệ 4: sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bước sóng
1550nm. ở hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 4, người ta bắt đầu sử
dụng các diode laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố dfb-
ditributed feedback ), cho phép truyền tốc độ 2.5gbit/s qua cự ly 150 – 200km
không cần trạm lặp. Trong thời gian tới, phương hướng phát triển chính của

công nghệ thông tin cáp sợi quang tiếp tục phát triển hệ trong thống imdd
song song với công nghệ ghép kênh theo bước sóng, thời kỹ thuật khuếch đại
quang sợi ( edfa ) và kỹ thuật bù tán sắc. mục đích là tăng tốc độ truyền dẫn
lên hàng chục gbit/s và cự ly trạm lặp lên hàng trăm km.
1.3.2. Hệ thống thông tin quang coherent.
Độ nhạy thu( dbm )
thu trực tiếp
-40
thu coherent
-60
-80
10
2
10
3
10
4

tốc độ đường truyền ( mbit/s )
Hình 1.2. Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ đường truyền .
Viện Đại Học Mở Hà Nội
11
Đồ Án Tốt Nghiệp


Từ nhiều năm nay, người ta đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm vể
hệ thống thông tin quang coherent. các ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin
quang coherent so với. hệ thống điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng là : cải
thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15-20db. điều này cho phép tăng cự li truyền dẫn
không cần trạm lặp từ 75-100km. Nâng cao năng lực truyền dẫn nhờ khả năng

sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số (fdm). với kỹ thuật fdm, chúng ta có
thể sử dụng một băng thông rộng khoảng 20.000ghz (ở bước sóng 1500mm-
1600mm). tương đương với khả năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại
trên một đôi quang.
Sơ đồ một hệ thống coherent có thể biểu diễn như hình vẽ:
tín hiệu vào
diode điều bộ khuếch đại
laser chế ngoài cáp sợi quang quang
điều khối thu mạch khuếch tín hiệu ra
khiển quang trung tần đại và giải
phân cực điều chế
bộ dao
động nội
Hình 1.3. Sơ đồ một hệ thống thông tin quang corehent
Viện Đại Học Mở Hà Nội
12
Đồ Án Tốt Nghiệp

Ở đầu phát : Tín hiệu quang được điều chế trên nguyên lý dịch pha PSK
Psk: hoặc khoá dịch tần fsk kỹ thuật fsk cho phép giảm độ thu xuốnh 2-3db,
nhưng yêu cầu bề rộng phổ của nguồn phát rất hẹp (tỷ số bề rộng phổ/tốc độ
truyền ∼10
-4
) trong khi kỹ thuật fsk yêu cầu tỷ số bề rộng phổ/ tốc độ truyền
∼10
-1
).
Sợi quang: Sợi quang dùng trong hệ thống coherent có thể là loại sợi quang
đơn mode thông thường hoặc sợi đơn bảo toàn phân cực. Nếu sử dụng sợi
đơn mode thường, trước bộ thu ta cần sử dụng bộ điều chỉnh phân cực .

Khối thu: Trong hệ thống coherent, khối thu được chia thành hai loại
heterodyne và homodyne. Ở đầu thu, tín hiệu thu được trộn với tín hiệu dao
động nội. Trong bộ thu heterodyne, tần số bộ dao động nội khác tần số của tín
hiệu tới. Đối với bộ thu homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số tín
hiệu kỹ thuật thu hemodyne nhạy hơn thu hemodyne khoảng 3 db nhưng rất
khó thực hiện bởi tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu
được. Hệ thống thông tin quang kết hợp sẽ được phép truyền dữ liệu với tốc
độ hàng chục gbit/s trở lên qua những khoảng cách rất xa nhưng chưa được sử
dụng trong thực tế do những khó khăn về công nghệ chế tạo và giá thành .
Các nghiên cứu về truyền dẫn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục
tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và cự li tăng giữa các khoảng lặp .
Các hướng phát triển của kỹ thuật thông tin cáp sợi quang hiện nay là:
1.4.1. Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( wdm ).
Trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng, người ta sử dụng nhiều
nguồn quang (thường là laser hồi tiếp phân bố dfb có bề rộng phổ rất hẹp ),
hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Khoảng cách giữa các kênh được chọn
phụ thuộc vào sự ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của
Viện Đại Học Mở Hà Nội
1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang.
13
Đồ Án Tốt Nghiệp

bộ ghép kênh /tách kênh, chẳng hạn là nm. Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo
bước sóng được mô tả (hình vẽ 1.6 ).
Trong khoảng từ bước sóng 1545.6nm – 1570.6nm, người ta có thể
ghép được 18 kênh, nếu mỗi kênh truyền 2.5 gbit/s, tương đương 30 240 kênh
thoại hệ thống sẽ có khả năng truyền 500 000 kênh thoại trên một đôi quang
hiện nay người ta đã thực hiện được hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc
độ 40 gbit/s bằng cách ghép kênh theo bước sóng 16 luồng tốc độ 2.5 gbit/s
dbf1

λ
1
dbf2
λ
2
⌡⌡

λ
18
λ
18

single- mode fiber
-10
λ
1
= 1,527nm λ
18
= 1,561nm
-20 2nm→←
-30
-40
-50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1,544.5 1,510.5 1,540.5
Viện Đại Học Mở Hà Nội
14
λ
2

to op
dbf18
λ
mux
λ
demmux
λ
1
Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng
1.4.2. Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật
phân kênh theo tần số ( fdm – frequency division multiplex).
Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn còn lớn hơn rất hiều so
với kỹ thuật. Ghép kênh theo bước sóng. Khoảng cách giữa các kênh trong hệ
thống ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 5ghz ( tương đương 0.04nm
ở bước sóng 1550nm), trong khi giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng khoảng 250 ghz tức 2nm. Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2.5 gbit/s, ta
có thể truyền một dung lượng tương đương 30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh
thoại trên một đôi sợi quang.
Viện Đại Học Mở Hà Nội
15
Đồ Án Tốt Nghiệp

Cấu trúc của sợi quang như (hình 2.1), gồm một lõi thuỷ tinh hình trụ
tròn và vỏ thuỷ tinh bao quanh lõi. Lõi thuỷ tinh dùng để truyền ánh sáng, còn
vỏ thuỷ tinh có tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp lõi và vỏ.
Muốn vậy chỉ số khúc xạ hay gọi là chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất
của vỏ.
2a d lõi

vỏ
Hình 2.1. Cấu trúc tổng thể của sợi quang.
Tuỳ từng loại sợi mà có sự phân bố chiết suất khác nhau trong lõi sợi.
Nếu chiết suất phân bố đồng đều thì được gọi là sợi chiết suất bậc, nếu sợi
phân bố theo quy luật tăng dần thì gọi là sợi chiết suất giảm dần. Kích thước
của sợi phụ thuộc vào loại sợi, loại thứ nhất có đường kính 2a = 50µm gọi là
sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đường kính 2a
≤
10µm goi là sợi đơn mode.
đường kính vỏ ( d ) của các loại sợi đều bằng 125µm. Tổng hợp cả phân bố
Viện Đại Học Mở Hà Nội
CHƯƠNG II
CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG
2.1. Giới thiệu cấu trúc tổng thể về sợi quang.
16
Đồ Án Tốt Nghiệp

chiết suất và kích thước của lõi để chia thành ba loại sợi, đó là sợi đa mode
chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất giảm dần, và sợi đơn mode( chiết suất
bậc).
2.1.1. Lý thuyết về sợi quang.
Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang:
Có thể nói chung nhất có thể coi ánh sáng là: Một chùm các phần tử hạt
rất bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như
đang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt
nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục.
a). Chiết xuất của môi trường.
Chiết xuất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
truyền trong chân không và vận tốc của ánh sáng ấy .
n = c/v ( 2.1)

n: chiết xuất môi trường , không đơn vị.
c: vận tốc ánh sáng truyền trong chân không , đơn vị m/s.
v : vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường , đơn vị m/s.
vì v ≤ c nên n ≥ 1.
1,50
1,49
1,48 n
g
= n - λ
λ
d
dn

1,47
1,46
1,45
1,44 n
1,43
Viện Đại Học Mở Hà Nội
17
Đồ Án Tốt Nghiệp

0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 2,0 λ ( µ )
Hình 2.2. Sự thay đổi chiết suất n và chiết suất nhóm n
g
theo
λ

Chiết xuất của vài môi trường thông dụng :
không khí : n = 1,00 có thể được xem bằng 1

nước : n = 1,33
thuỷ tinh : n = 1,49 ≈ 1,50
Chiết xuất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền
trong nó
b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Tổng quát , khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt phân cách
đến môi trường 2 thì tia sáng được tách thành hai tia mới: Một tia phản lại
môi trường 1 và một tia khúc xạ vào môi trường 2 . Tia phản xạ và tia khúc xạ
quan hệ với tia tới như sau : Cùng nằm trong một mặt phẳng tới ( mặt phẳng
chứa tia tới và pháp uyến của mặt ngăn cách tại điểm tới ), góc phản xạ bằng
góc tới : φ
1
= φ
2
góc khúc xạ được xác định từ công thức snell:
n
1
sinφ
1
= n
2
sin φ
2
( 2.2 )
tia tới pháp tuyến tia phản xạ

φ
1
θ
’

1
môi trường 1 : n
1
θ
1
mặt ngăn cách
môi trường 2 : n
2
φ
2
θ
2
Viện Đại Học Mở Hà Nội
18
Đồ Án Tốt Nghiệp


tia khúc xạ
Hình. 2.3. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
c). Sự phản xạ toàn phần .
Từ công thức snell đã nêu trên ta thấy :
nếu n
1
< n
2
thì φ
1
>φ
2
: tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến .

nếu n
1
> n
2
thì φ
1
< φ
2
: tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn.
Trong trường hợp n
1
> n
2
nếu tăng q
1
thì q
2
cũng tăng và q
2
luôn luôn lớn
hơn q
1
. Khi φ
2
=90
o
, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì φ
1
được
gọi là góc tới hạn q

c
. Nếu tiếp tục tăng φ
1
> φ
c
thì không còn tia khúc xạ nữa
mà chỉ còn tia phản xạ (hình 2.3).
Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng ( công thức snell ) với φ
2
= 90
0
có
thể tính được góc tới hạn φ
c
:
sin φ
c
=
1
2
n
n
hay θ
c
=
1
2
n
n
Ví dụ : Góc tới hạn giữa thuỷ tinh ( n

1
= 1,50 ) và không khí ( n
2
= 1 )
được tính :
sin φ
c
=
1
2
n
n
=
50,1
1
≈ 0,66 ⇒ φ
c
≈41
0
phát tuyến
Tia tới 2 3 φ
c
1 tia phản xạ
1 φ
1
n
1
1 2
mặt ngăn cách ( n
1

> n
2
n
2

φ
2
3 tia khúc xạ
Viện Đại Học Mở Hà Nội
19
Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 2.4. Sự phản xạ toàn phần.
2.1.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang .
a). Nguyên lý truyền dẫn chung.
t
n
2

n(r) lớp vỏ
n
1

lớp lỏi
n
o
lớp vỏ

Hình 2.5. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo thành

một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết xuất n
1
và một lớp vỏ phản xạ (hình2.5)
ánh sáng truyền trong lõi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần (phản xạ toàn
phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ. Do đó ánh sáng có được
truyền trong sợi có cự li dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ
cong có giới hạn.
b). Khẩu độ số: ( numerical aperture )
Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu
sợi nhỏ hơn góc tới hạn θ
c
(hình 2.6). sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu
độ số , ký hiệu na; na = sin θ
c
( 2.3 )
Viện Đại Học Mở Hà Nội
20
Đồ Án Tốt Nghiệp

3
n
1

b 2
a θ
c
1 n
1
θ
max

n
1
n
2
Hình. 2.6. Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
Áp dụng công thức snell tính na:
Tại điểm a đối với tia 2:
n
o
sinθ
max
= n
1
sin (90
o
- θ
c
)
mà : n
o
= 1 (chiết xuất của không khí ).
sin (90
o
-θ
c
) = cos θ
c

sin (90

o
-θ
c
) =
c
θ
2
sin1−
=
1
2
2
2
1
n
n
−
, vì sin θ
c
=
1
2
n
n
do đó : na = sin θ
max
=
2
2
1

2
nn −
≈ n
1

∆2
( 2.4 )
trong đó : ∆ =
1
2
2
2
1
2
2n
nn −
≈
1
21
n
nn −
: độ chênh lệch chiết suất tương đối
Độ chênh lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,1đến 0,3
(tức là từ 1÷3% ).đối với sợi đa mode. 0,2÷1,0% đối với sợi đơn mode.
Viện Đại Học Mở Hà Nội
21
Đồ Án Tốt Nghiệp

2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu trúc chung của sợi quang bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết

suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn .
Chiết suất trong lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất trong lõi, nói chung
thay đổi theo bán kính ( khoảng cách tính từ trục của sợi ra ). Sự biến thiên
chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau :

( )
( ) ( )







=∆−≈∆−














∆−

=
21
2/1
1
1
121
1
nnn
a
r
n
rn
g
bra
ar
≤∠
≤

Trong đó : n
1
: chiết suất lớn nhất của lõi.
n
2
: chiết suất lớp bọc .

1
21
1
2
2

2
1
2
2
n
nn
n
nn
−
≈
−
=∆
: độ chênh lệch chiết suất .
r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất .
a : bán kính lõi sợi .
b : bán kính lớp bọc.
g : số mặc định biến thiên , g ≥ 1 .
các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác .
g = 2 : dạng parabol.
g = ∞ : dạng nhảy bậc.
đường biểu diễn các dạng phân bố chiết suất như (hình 2.7).
n
max
=n
1
n(r) g = ∞
g=1 g=2
Viện Đại Học Mở Hà Nội
22
Đồ Án Tốt Nghiệp

b a 0 a b
Hình 2.7. Các dạng phân bố chiết suất .
a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( si : step – index ) :
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp
bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang . Các nguồn quang phóng
vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như
(hình 2.8).
khôngkhí
b
a n
2
n(r) n
2
< n
1
o 1 n
1
a n
1
2 3
b n
2

r n
0
Hình 2.8. Truyền ánh sáng trong sợi quang si.
Các tia sáng truyền trong lõi sợi cũng có vận tốc ( vì v
ph
= c/n

1
, ở đây n
1
không đổi ) mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền khác
nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện tượng : Khi đưa một
xung vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do
hiện tượng tán sắc (dispersion ), sẽ được đề cập ở phần sau. Nói chung loại
sợi này có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi nên được gọi là sợi có chỉ số
chiết suất phân bậc. Do có độ tán sắc lớn nên sợi si không thể truyền tín hiệu
số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được
trong loại sợi có chiết suất giảm dần.
b). Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi gi : graded – index ) :
Viện Đại Học Mở Hà Nội
23
Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình2.9. Các tia sáng truyền trong lõi sợi đa chiết suất gradient.

( )
( )





=∆−















∆−
=
21
2
1
1
1
nn
a
r
n
rn
,
bra
ar
≤∠
≤
(2.5)
Vì chiết suất này thay đổi một cách liên tục nên các tia sáng truyền
trong lõi. Bị uốn cong dần đường truyền của các tia sáng trong sợi gi cũng

không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng không thay đổi theo các tia
truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn ( v
ph
= c/n ) và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng
vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường ngắn nhất
nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo
chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol ( g =2 ) thì đường đi của
tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ
tán sắc của sợi gi nhỏ hơn nhiều so với sợi si. Nói tóm lại loại sợi này có chỉ
số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi
là sợi có chỉ số chiết suất gradien.
c). Các dạng chiết suất khác:
Có hai dạng chiết suất si và gi được dùng phổ biến. Ngoài ra còn có
một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như :
*Dạng chiết suất lớp bọc ( hình 2.10a )
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải
tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp
bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n
1
không cao.
*Dạng dịch độ tán sắc : ( hình 2.10b )
Viện Đại Học Mở Hà Nội
24
Đồ Án Tốt Nghiệp

Như sẽ phân tích sau này, độ tán sắc của sợi quang triệt tiêu ở bước
sóng gần 1300nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước
sóng 1500nm bằng cách dùng sợi quang có chiết suất như ( hình 2.10b).
*Dạng san bằng tán sắc : ( hình 2.10c )
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoãng

bước sóng. chẳng hạn đáp ứng cho kỷ thuật ghép kênh theo bước sóng người
ta dùng sợi quang có chiết suất như (hình 2.10c). Dạng chiết suất này khá
phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong phòng thí nghiệm cứ chưa đưa
ra thực tế .
a b c
Hình 2.10. Các dạng chiết suất đặc biệt.

2.1.4. Sợi quang đơn mode (Single mode) và sợi quang đa mode (multi
mode).
Có hai hướng khảo sát truyền ánh sáng trong sợi quang : Một hướng
dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thông
thường lý thuyết tia được sử dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung. Song cũng có
những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác,
người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm
đó. Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình
maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang đễ xác định biểu thức sóng
truyền trong nó. Dựa trên biểu thức đã xác định có thể phân tích các đặc điểm
truyền dẫn sóng. Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải
phương trình mà chỉ nêu các thông số rút ra từ kết quả có liên quan
Viện Đại Học Mở Hà Nội
25