Hệ thống thông tin cáp quang

Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Phần i

Cơ sở về thông tin quang
Chơng I

Sợi quang
I. Nguyên lý hai líp cđa sỵi quang- gãc tíi han - độ mở na:
1- Đặc tính ánh sáng:
Theo vật lý quang hình học nghiên cứu về ánh sáng đà chứng minh
và đa ra những kết luận mang tính nguyên lý sau:
* Trong một môi trờng trong suốt và đồng tính (n = const), ánh sáng
truyền theo một đờng thẳng (nguyên lý truyền thẳng của ánh sáng).
* Khi ánh sáng truyền từ m«i trêng cã chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng
cã chiÕt suất n2 mà n1 n2, thì tia sáng sẽ bị khúc xạ và phản xạ. Tia khúc
xạ sẽ nghiêng về phía môi trờng có chiết suất lớn hơn - (Hình 1.1-a).
2- Góc tới hạn:
- Khi ánh sáng truyền từ m«i trêng cã chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng cã
chiÕt suất n2 mà n1 > n2 thì ứng với một góc tới nào đó mà tia khúc xạ
song song với mặt phân cách giữa hai môi trờng hay góc khúc xạ hợp với
pháp tuyến n một góc 90o. Ngời ta gọi góc tới đó là góc tới hạn và ký hiệu
là 1 (hình 1.1- b).
3- Hiện tợng phản xạ toàn phần:
Khi tia tới có góc > 1 lúc này xảy ra hiện tợng phản xạ toàn phần,
tia sáng không đi sang môi trờng 2 nữa mà bị phản xạ trở lại hoàn toàn
(Hình1.1- c )

n


n
Tia khúc xạ
(n2
n1)
Tia tới

(n2< n1)
)

)

n1
Tia phản xạ
n2

Đồ án (a)
tốt nghiệp




n
n2
n1

n2
n1

(n2< n1)
)


1 (b)
Hình1.1

tia phản xạ
toàn phần

(c)


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Dựa vào những nguyên lý này ngời ta đà chế tạo sợi quang theo dạng
hình trụ có hai lớp lõi và lớp vỏ. Trong đó lớp lõi đợc cấu tạo sao cho cã
chiÕt st lín h¬n chiÕt st cđa líp vỏ, để tia sáng chiếu vào đầu sợi thì
ứng với các góc tới nào đó nó sẽ đợc phản xạ toàn phần trong lõi sợi mà
không bị bức xạ ra ngoài vỏ để làm nhiễu các thiết bị thông tin khác, tránh
sự suy hao và bảo mật đợc thông tin truyền trong sợi cũng nh khi ánh sáng
bên ngoài chiếu vào vỏ cong hình trụ thì đầu tạo thành các góc tới hạn phản
xạ lại môi trờng bên ngoài, do đó các tia lạ không thể xâm nhập đợc vào sợi
quang làm nhiễu thông tin truyền trong sợi.
4- Độ mở NA:
Để tia sáng truyền trong lõi sợi quang đợc phản xạ toàn phần trên
mặt phân cách vỏ- ruột. Ngời ta đà chứng minh đợc rằng, các tia sáng đi

vào đầu sợi phải nằm trong một hình nón các tia, với nửa góc mở là max và
ở đầu cuối sợi các tia cũng đợc bức xạ dới dạng hình nón với góc mở bằng
góc lý thuyết max


n2
n1

max

(Hình 1.2).
Để đặc trng cho khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi, hay nói
khác đi để cho các tia sáng đi vào trong sợi đều đợc phản xạ toàn phần trên
mặt phân cách vỏ - ruột. Ngời ta định nghĩa một đại lợng đặc trng cho sợi
quang là độ mở NA với giá trị đợc tính nh sau:
NA Sin max n1 .

Trong ®ã:

2  n12  n22

n1: chiÕt st cđa lõi sợi
n2: chiết suất của vỏ sợi


n12 n22
2n12

: độ lệch chiết suất tơng đối

II. Cấu tạo sợi quang:

Sợi quang đợc sử dụng trong thông tin viễn thông hiện nay có cấu tạo
nh hình sau:

2

Đồ án tốt nghiệp
Lõi sợi

Vỏ sợi
Các líp vá


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang
Sợi quang đợc cấu tạo theo dạng hình trụ bao gồm:
* Lõi sợi quang: đợc làm bằng thuỷ tinh tinh khiết (là loại thuỷ tinh
cực kỳ sạch, sạch nh không khí sạch nhất). Lõi là nơi truyền các tia sáng đi
qua bao giờ cũng có hệ số khúc xạ lớn hơn vỏ (n1 > n2).
* Vỏ sợi quang đợc chế tạo bằng loại thuỷ tinh cã chiÕt st nhá h¬n
chiÕt st cđa lâi, võa cã tác dụng không cho ánh sáng khúc xạ từ lõi qua
vỏ và ngợc lại, đồng thời là lớp thuỷ tinh bảo vệ cho lõi sợi quang.
* Vật liệu để chế tạo ra lõi và vỏ là SiO2 và đợc bổ xung thêm chất
dioxide - Germani (GeO2) và Flourie để tăng hệ số phản xạ của lõi và giảm
hệ số khúc xạ của vỏ.
III. Sợi đa Mode và sợi đơn Mode

Các sợi đa mode có đặc điểm là truyền dẫn đồng thời nhiều mode
(mode tạm thời đợc hiểu là một loại sóng hoặc một tia thành phần). Còn sợi
đơn mode chỉ truyền duy nhất một mode. Sợi đa mode có đờng kính ruột d
khá lớn, còn sợi đơn mode thì có d rất nhỏ. Nếu hiểu mode là các tia sáng
thành phần đợc truyền dẫn, thì trong sợi đa mode có nhiều tia đợc truyền
dẫn theo các đờng đi khác nhau, còn trong sợi đơn mode chỉ có một mode
là một chùm tia chạy song song với trục của sợi. Nếu cho vào đầu sợi một
xung rất hẹp thì ở đầu ra sợi đa mode nhận đợc một xung bị biến dạng có
độ rộng lớn hơn so với ở đầu ra của sợi đơn mode.
* Sợi đa mode về cơ bản có hai loại là:
- Sợi đa mode chiết suất bậc: SI MM
( Multi Mode Step Index)
- Sợi đa mode cã chiÕt st biÕn ®ỉi GI - MM
(Multi Mode Graded Index)
* Sợi đơn mode đợc chế tạo là loại sợi SI - SM
(Single Mode Step Index)
1- ¸nh s¸ng trun qua sợi quang đa mode có chiết suất bậc SI- MM:
nK = 1
Nguồn
bức xạ

Đồ án tốt nghiệp

n2
tia 1

n2
n1
n

3


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Xung vào

Xung ra

Hình 1-4 - ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode
bậc
Khi ánh sáng truyền qua sợi quang, có những tia phản xạ cắt qua trục
sợi quang và có những tia không cắt qua trục sợi quang đợc thể hiện trên
hình 1.5 (a) và (b).

(a
)

(b
)

Hình 1.5
Sợi quang đa mode SI- MM có đờng kính lõi khoảng 100m với
chiết suất không đổi, độ rộng băng tần đạt 100 MHz km.
Các tia sáng từ nguồn bức xạ đa vào sợi quang, phải đi qua môi trờng
không khí có chiết suất nk = 1, rồi đi vào ruột sợi có chiết suất n1 lớn hơn nk.
Vì thế khi đi qua mặt cắt đầu sợi, các tia sẽ bị khúc xạ chùm sáng đi vào sợi

là vô số các tia với có góc tới khác nhau. Trong sợi có một tia chạy song
song với trục sợi quang (tia 1) và nhiều tia khác. Chúng lần lợt đợc phản xạ
tại mặt phân cách giữa vỏ và ruột và đi ra khỏi sợi quang theo đờng dích
dắc.
Để các tia này lan truyền đợc trong sợi quang đến đầu cuối sợi, thì tại
mặt phân cách vỏ - ruột phải thoả mÃn điều kiện phản xạ toàn phần và ngời
ta đà tính đợc số lợng tia sáng truyền trong sợi xấp xỉ bằng F2/2.
Với F là tần số chuẩn hoá đợc xác định theo công thức:
F=

2a.NA



: bíc sãng trun cđa tia s¸ng
a: b¸n kÝnh cđa lâi sợi quang
NA: độ mở
Vì các tia sáng chạy trong sợi quang theo các đờng dích dắc khác
nhau đến cuối sợi, do đó sẽ có độ dài quÃng đờng khác nhau. Nh thế, từng
tia sáng thành phần có thời gian truyền tới cuối sợi khác nhau. Vì trong ruột
sợi có chiết suất n1 = const nên tốc độ lan truyền của các tia là nh nhau và
đợc tính là:
Trong đó:

C

V
Đồ ¸n tèt nghiÖp
n

1

const

4


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông
C = 3. 108m/s vận tốc ánh sáng

Tia chạy song song với trục sẽ có đoạn đờng ngắn nhất nên cần thời
gian ít nhất, tia đạt tới giới hạn phản xạ toàn phần thì có đoạn đờng dài nhất
nên cần thời gian lớn nhất. Kết quả là làm méo tín hiệu, xung ở đầu ra bị
nới rộng, làm hạn chế băng tần của sợi quang, do đó loại sợi này chỉ đợc áp
dụng trong mạng thông tin nội bộ, cự ly ngắn, tốc độ thấp.
2- ánh sáng truyền trong sợi quang có chiết suất giảm dần:
nK = 1

n2
n1

n

Hình 1.6: ánh sáng truyền trong sợi GI-MM
Đặc điểm của sợi GI-MM là chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo
bán kính, còn trong vỏ có chiết suất không đổi. Trong ruột sợi chiết suất
giảm dần từ giá trị lớn nhất ở tâm sợi, cho đến giá trị nhỏ nhất bằng n 2 tại
một phân cách vỏ - ruột, loại sợi này có đờng kính lõi khoảng 50 m. Độ

rộng băng tần đạt khoảng 1 GHz số lợng mode truyền trong sợi bằng F4/4.
Do chiÕt suÊt trong ruét biÕn thiªn nªn vËn tèc các tia sáng truyền
trong sợi không phải là hằng số mà cũng là một hàm số biến thiên theo bán
kính r.

V

C
C

V (r )
n1 n1 (r )

Vì vậy trừ tia sáng truyền song song với trục sợi, các tia còn lại tia
nào càng đi xa trục chiết suất càng giảm, nên sÏ cã vËn tèc lan trun lín
h¬n do vËy, trong quá trình truyền dẫn, chúng tạo thành các đờng cong có
dạng sóng hình sin hội tụ trên trục hoặc lệch trục với chu kỳ khoảng vài
minimét và truyền ra khỏi sợi quang. Nhận thấy rằng, tia sáng chạy song
song với trục có đờng đi ngắn nhất, nhng do có chiết st lín nhÊt n(r) = no
= max nªn cã tèc độ bé nhất. Các tia khác có đờng đi dài hơn nhng do phân
bố chiết suất nên có tốc độ lớn hơn một chút. Kết quả là, trong sợi GI, sự
thay đổi tốc độ lan truyền bù lại sự chênh lệch quÃng đờng, bù trừ chênh
lệch thời gian truyền dẫn của chúng và do đó độ lệch thời gian trong sợi GI
-MM nhỏ hơn trong sợi SI-MM nhiều, nên loại sợi này có độ rộng xung ở

Đồ án tốt nghiệp

5

Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

cuối sợi quang có bề dầy nhỏ hơn nhiều so với sợi SI-MM. Hiện nay cũng
đợc tiêu chuẩn hoá để sản xuất ra cáp quang, ứng dụng trong các mạng viễn
thông cự ly ngắn. Hệ số tách quang đạt đợc lớn và giá thành hạ.
3. ánh sáng truyền trong sợi quang có chiết suât đơn mode:
n2
n1

Nguồn
sáng
Xung vào

r n2
n2 n1

n

Xung ra

Hình 1.7: ánh sáng truyền trong sợi đơn mode SI-SM

Đặc điểm của sợi đơn mode SI-SM là có đờng kính lõi rất nhỏ
(810 m), tốc độ truyền tin rất cao đạt đến 100 Gbit/s. Độ rộng băng tần
có thể đạt đợc vô hạn. Nhng hiện nay do nguồn phát quang cũng nh nguồn
tách quang, nên độ rộng băng tần hạn chế xuống còn khoảng 10GHz/ km.
Vì đờng kính lõi sợi đơn mode rất nhỏ do đó ánh sáng truyền trong
lõi hầu hết song song với trục của sợi, do đó không có chênh lệch thời gian

giữa các tia ở cuối sợi nên ít méo tín hiệu, vì vậy sợi có băng tần truyền dẫn
lớn và cho phép truyền lợng thông tin đi rất lớn đi xa.
Nhợc điểm của sợi đơn mode là có đờng kính lõi d rất bé nên hàn nối
sợi gặp khó khăn hơn sợi đa mode.
3.1 Khái niệm trờng Mode cho sợi quang đơn mode.
Khi các tia sáng truyền trong lõi sợi quang, tạo ra xung quanh lõi
một trờng điện từ, gọi là trờng mode. Trờng mode có dạng hình tròn bao
quanh lõi sợi. Đờng kính trờng mode (ký hiệu MFD) thờng lớn hơn đờng
kính trờng mode. Ký hiệu W.
Nếu biết đợc dạng phân bố trờng mode thì ta xác định đợc mặt cắt
chỉ số khúc xạ và suy ra đờng kính của lõi, của vỏ sợi quang...
Giá trị của đờng kính trờng mode (MFD) đợc sử dụng để đánh giá sự
suy hao cong hoặc vi cong, tán sắc sợi dẫn hoặc bớc sóng cắt.
3.2 Bớc sóng cắt c.
Bớc sóng cắt là đại lợng đặc trng cho bớc sóng giới hạn của ánh sáng
truyền trong sợi quang, đợc xác định là:
c

Đồ án tốt nghiệp

2a . NA
Vc

6


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Trong đó:

Vc: Là giá trị giới hạn của chỉ số khúc xạ.
a: Bán kính lõi sợi
NA: Độ mở
Nếu bớc sóng của mode truyền trong sợi nhỏ hơn giới hạn của bớc
sóng cắt thì tia sáng biến thành tia chiếu sáng, khúc xạ ngoài vỏ sợi quang
và khi đó nó không thể truyền trong sợi dẫn đợc nữa.
Theo tiêu chuẩn của bíc sãng tèi u lµ c = (1285  1330)nm (theo
CCITT) nếu bớc sóng < 1280nm, thì tia sáng đều không truyền đợc trong
sợi quang đến đầu cuối sợi, và với bớc sóng > 1330nm thì tia sáng hầu hết
truyền ra ngoài vỏ.
- Khi chiều dài sợi quang tăng lên. Để ổn định cho một bớc sóng
truyền trong lõi sợi quang thì bớc sóng cắt c phải dịch một lợng là:

c m.lg .

Trong đó:

L
2

[m]

L: Chiều dài của sợi quang [m]
m: Hệ số có giá trị từ 20 60 phụ thuộc vào loại sợi quang

3.3 Sợi dịch tán sắc.
Tán sắc vật liệu và tán sắc sợi dẫn đều phụ thuộc vào bớc sóng nên
tổng của chúng đợc gọi là tán sắc sắc thể. Tán sắc sắc thể chiếm phần lớn

trong tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode hay nói một cách tơng đối tán sắc
sắc thể đủ đặc trng cho tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode. ở sợi đơn
mode thông thờng thì tán sắc sắc thể cực tiểu tại bớc sóng = 1,3 m. Nếu
dịch chuyển điểm tán sắc sắc thể cực tiểu này đến cửa sổ truyền dẫn thứ 3 ở
vùng bớc sóng 1,55 m, thì có loại sợi dịch tán sắc và suy hao bé nhất tại
cùng một bớc sóng. Muốn vậy ta phải chế tạo mặt cắt chỉ số khúc xạ cho
sợi quang thích hợp. Theo quan điểm vật lý thì đờng kính của lõi sợi quang
càng bé thì tán sắc sợi dẫn càng lớn vì vậy phải dùng tán sắc vật liệu để bù
trì sao cho tán sắc sắc thể đạt cực tiểu ở bớc sóng khác với bớc sóng tối u
= 1,3m - đó chính là sợi dịch tán sắc.

IV. Tán sắc ánh sáng trong sợi quang (Dispersion).

Đồ án tốt nghiệp

7


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Sợi quang
n2
n1

Xung vào
Xung ra

Hình 1.8: Tán sắc trong sợi quang

Tán sắc ánh sáng sảy ra khi truyền xung ánh sáng qua sợi quang đến
cuối sợi xung nhận đợc bị dÃn rộng so với xung truyền ở đầu vào, do đó
chúng có thể sẽ gối lên các xung bên cạnh và kết quả là làm giảm khả năng
truyền dẫn của sợi quang cũng nh làm hạn chế băng tần, do đó làm hạn chế
lợng thông tin truyền trong sợi quang.
Tán sắc ánh sáng bao gồm tán sắc mode và tán sắc sắc thể.
1. Tán sắc Mode (Dm).
- Đối với sợi quang ®a mode, ë mét thêi ®iĨm cã rÊt nhiỊu d¹ng sóng
đồng thời truyền vào đầu sợi quang, nhng quá trình lan truyền trong sợi
quang chúng đi thành nhiều đờng theo các phơng truyền khác nhau, bởi vậy
các tia sáng này không đồng thời cùng một thời điểm ra khỏi sợi quang. Đó
chính là nguyên nhân gây ra tán sắc mode. Các mode gây ra độ chênh lệch
thời gian (t) giữa xung đầu vào và xung đầu ra:
- Đối với sợi ®a mode bËc:
t st 

L . NA 2
2n1 . C

(1)

- Đối với sợi đa mode Graded GI:
t GI

L . NA 4
8n13 .C

( 2)

Từ công thức (1) và (2) suy ra: khi truyền ánh sáng qua sợi quang

Graded (GI) thì bề rộng của xung nhận đợc có độ rộng nhỏ hơn 4n12/NA2
lần so với độ rộng của xung ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode bậc SI
khi hai sợi cã cïng gãc më NA vµ cïng chiÕt suÊt n1.
- Đối với sợi đơn mode, do đờng kính của lõi sợi rất nhỏ, bởi vậy chỉ
có các mode cơ bản có phơng truyền song song với trục sợi mới truyền đợc
qua sợi quang, do đó không có độ trễ thời gian t giữa các mode và sự tán
sắc mode trong loại sợi này không có.
Tán sắc mode phân cực: một số loại sợi quang duy trì các mode phân
cực truyền dẫn trong lõi sợi quang. Loại sợi nh vậy khi hai tia sáng giao

Đồ án tốt nghiệp

8


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

thoa với nhau thì gây ra hiện tợng tán sắc mode phân cực. Với loại sợi
quang thông thờng tán sắc này đợc bỏ qua.
2- Tán sắc sắc thể (Chromatic Dispersion).
- Tán sắc sắc thể gây ra đối với mọi loại sợi quang do nguyên nhân
ánh sáng truyền trong sợi quang có nhiều bớc sóng khác nhau, những bớc
sóng đó làm cho hệ số khúc xạ (chiết suất) thay đổi nh vậy tán sắc sắc thể
phụ thuộc vào tốc độ nhóm và bớc sóng.
2.1 Tán sắc vật liệu.
Tán sắc vật liệu sinh ra do c¸c bíc sãng kh¸c nhau tõ ngn quang
truyền qua lõi sợi với tốc độ khác nhau làm thay đổi chỉ số khúc xạ của lõi
sợi quang. Đó là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu.

Tán sắc vật liệu tiến độ dài đơn vị đợc tính:
- Đối với sợi đa mode:
D( mI

d 2 n1   
.
C
d 2

( Ps / nm.km)

- §èi với sợi đơn mode:
D( maI

Trong đó:

1 dN g   
.
C
d

( Ps / nm.km)

Ng: lµ hƯ sè khóc x¹ nhãm
N ( gI n  

dn
C

d V g

Với: Vg: là tốc độ nhóm
Hình 1.9 - Biểu thị tán sắc vật liệu và tán sắc mode trong các loại sợi khác nhau.
Tán sắc vật liệu

Tán sắc mode

Hình ảnh phân bố chiết suất
n2
Xung ra

Xung vào
(a) Sợi quang loại SI (đa mode)
Tán sắc mode

Đồ án tốt nghiệp

9

Xung ra

n1


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội
Xung vào

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

(b) Sợi quang loại GI

Tán sắc vật liệu

Xung vào

Xung ra
(c) Sợi quang loại SM

Hình 1.9: Tán sắc vật liệu và tán sắc mode trong các loại sợi khác nhau
2.2 Tán sắc sợi dẫn.
Tán sắc sợi dẫn sinh ra do sự phân bố trờng và bằng số truyền lan
cùng các mode phụ thuộc vào đờng kính ruột d và bớc sóng công tác (tỷ
số d/) trong sợi dẫn quang.
Tán sắc sợi dẫn trên độ dài đơn vị là:
Đối với sợi đơn mode:
N wg


d 
.


2 2 n1 . C d  wr2 

Trong ®ã:

n1: chiết suất lõi sợi quang
: bớc sóng ánh sáng
C: 3.108m/s
wr: bán kính trờng mode
Đối với sợi quang đa mode: tán sắc này rất nhỏ

Dw

d 2
1
.F.
2c
dF 2

F: tần số chuẩn hoá
Tán sắc sắc thể là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc sợi dẫn: (Dch)
- Đối với sợi đa mode:
Dch Dm( ) Dw( )

tính trên độ dài L =1km
Với chiều dài đoạn lập là L (km) và Laser có độ rộng xung là thì tán
sắc sắc thể là:
Dch () = Dch {Ps/nm. km} . L {km}. {n.m}
- Đối với sợi đơn mode tính trên L = 1km thì:
Dch Dma Dwg ( Ps / nm.km)

Với chiều dài đoạn lặp là L [km] độ rộng phổ tần của laser là (nm) thì
tán sắc sắc thể đợc tính :
Dch () = Dch {Ps/nm. km} . L {km}. {n.m}

Đồ án tốt nghiÖp

10


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

* Các loại sợi đơn mode hiện nay đà đợc CCITT tiêu chuẩn hoá để sản
xuất 3 loại sợi nh sau:
- Loại sợi không dịch tán sắc G652
Tại = 1300nm thì Dch < 3,5 Ps/nm. km
Tại = 1.550nm thì Dch < 20 Ps/nm. km
Sợi này suy hao do tán sắc sắc thể đợc tính:
4
S o  
Dch    
1    
4
 4
Với So: độ dốc đờng cong tán sắc tại bớc sóng : So 0,095 Ps/nm.km
Loại sợi dịch tán sắc G653

Tại = 1300 nm có Dch = 20 Ps/nm. km
 = 1550 nm cã Dch < 3,5 Ps/nm. km
Tán sắc sắc thể đợc tính Dch() - So ( - o)
víi So  0,085 Ps/nm
NÕu chÕ t¹o sợi đơn mode có mặt chỉ số khúc xạ của lõi dạng tam
giác cân còn vỏ dạng đa bậc, sẽ nhận đợc sợi đơn mode dịch tán sắc có tán
sắc sắc thể bằng 0 tại bớc sóng zero = 1550 nm
n1
n2

Sợi có tán sắc phẳng G654
Tại = 1300nm 1550nm thì Dch < 6 Ps/nm.km loại này phải có

mặt cắt hệ số khúc xạ nh sau:
Dch() Ps / nm.km

8

4

0

G652

G653
G654

1500

(nm)
V. Suy hao ánh sáng
(attenuation)
(AT):
1700
1400quang
1300 sợi
1200 trong
1600

Hình 1.10: Đặc tính tán sắc của các loại sợi G652- G653G654.
-4

Đồ án tốt nghiệp

11


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Khi lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng bị suy giảm dần,
ảnh sáng bị tổn hao.
Ngời ta định nghĩa đại lợng suy hao là:

AT 10 lg

p2
dB
p1

Trong đó:

P1: Công suất ở đầu sợi quang.
P2: Công suất ở cuối sợi quang.
Suy hao của sợi quang là một tham số quan trọng, để xác định hệ số
suy hao cực tiểu trên độ dài đoạn lặp là cực đại. Quá trình truyền dẫn thông
tin trong sợi quang từ trạm phát đến trạm thu, phải tính đợc suy hao cho
phép theo thiết kế sao cho đảm bảo đợc chất lợng truyền tin và độ chính xác
cao.
Suy hao trên một tuyến cáp quang bao gồm:
- Suy hao bên trong.
- Suy hao bên ngoài (do công nghệ chế tạo lợi, lắp đặt sợi quang...)

- Suy hao do hàn nối sợi quang.
1. Suy hao bªn trong:
Suy hao bªn trong do 3 nguyªn nh©n chÝnh g©y ra nh sau:
1.1. Do hÊp thơ tia cực tím (ATu):
Khi các tia sáng chiếu vào điện tử trong nguyên tử của thủy tinh gây
ra hiện tợng hấp thụ các tia cộng hởng cực tím mà đầu cộng hởng nằm
trong dải tần của tia cực tím (AU) còn đuôi kéo dài sang vùng gần hồng
ngoại (IR) là vùng bớc sóng hoạt động của các sợi quang.
Đối với sợi quang SiO2 suy hao này đợc tính gần đúng theo công thức
sau:

ATu A0 exp u


Trong đó: A0 = 1,108 . 10-3 dB/km.
u = 4,582 m; bíc sãng tia cùc tÝm.
: bíc sãng trun trong sỵi.
1.2. Do hÊp thụ tia hồng ngoại (ATi):
Khi ánh sáng chiếu trong sợi quang, đập vào các phần tử trong mạng
tinh thể gây ra dao động nhiệt. Sự dao động này gây ra sự hấp thụ ánh sáng

Đồ án tốt nghiệp

12


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

của một phần ánh sáng hồng ngoại mà đỉnh hấp thụ nằm trong vùng hồng
ngoại còn đuôi hấp thụ kéo dài sang vùng gần hồng ngoại.
Độ lớn đợc xác định:
 
ATi  B0 exp  u 
 

víi B0 = 4.10'' dB/km: là hệ số hấp thụ hồng ngoại.
i: bíc sãng tia hång ngo¹i (i = 4,8 m)
1.3. Do tán xạ Ravleigh: ATR:
Xuất hiện do ảnh hởng của các chỗ không đồng nhất còn sót lại trong
giai đoạn làm nguộn sợi trong quá trình nấu chảy thủy tinh để kéo thành sợi
ảnh hởng của tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệu
chế tạo sợi. Kích thớc các chỗ không đồng nhất nhỏ hơn bớc sóng vùng
hồng ngoại gần nhiều (vùng bớc sóng sử dụng trong th«ng tin quang hiƯn
nay cã  = 0,8  1,6 m), nên khi bớc sóng tăng thì suy hao này giảm rất
nhanh và tỉ lệ nghịch với số mũ bËc 4 cđa bíc sãng theo c«ng thøc:
ATR 

C0
4

víi C0  0,7 dB/km m4.
AT [db/km]

100

ATi

Suy hao tỉng

10

H×nh 1.11

1
0.1

ATu

ATR
0.01
0,02 0,6 1
1,4 1,8 2,2
2- Suy hao bên ngoài:
Thành phần suy hao lớn nhất và tác hại nhất là do sự hấp thụ ánh
sáng của các chất bẩn kim loại lẫn vào trong sợi thủy tinh trong quá trình
nung chảy và kéo sợi. Ngời ta đà có đầy đủ các phơng pháp đo và kiểm tra
để loại trừ tất cả các chất bẩn về kim loại lẫn trong sợi quang.
Một loại suy hao phải kể đến trong quá trình chế tạo sợi quang đó là
thành phần gốc nớc OH xâm nhập vào sợi quang trong quá trình đốt nóng

Đồ án tốt nghiệp

13


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

và kéo sợi gây ra đỉnh hấp thụ ở bớc sãng 1,38 m cã trÞ sè suy hao 40
dB/km khi trọng lợng chiếm một phần triệu. Công nghệ chế tạo sỵi quang
hiƯn nay cho phÐp suy hao gèc níc OH gây lên chỉ chiếm 0,5 dB/km đến 2
dB/km. Ngoài ra còn các đỉnh hấp thụ gốc nớc OH gây ra ở các bớc sóng
1,25 m và 0,9 m, nhng có trị số suy hao bé hơn. Những đỉnh này trớc đây
rất quan trọng, đà ảnh hởng đến các cửa sổ ¸nh s¸ng.
- Cưa sỉ thø nhÊt gÇn 0,85 m.
- Cưa sỉ thø hai t¹i 1,3 m.
- Cưa sỉ thø ba tại 1,55 m.
Quá trình sản xuất, các công đoạn chế tạo phôi thủy tinh, kéo sợi
gây ra các khuyết tật và ứng suất làm suy hao khoảng 0,15 0,16 dB/km
đối với sợi đa mode tại cửa sổ thứ 3.
Suy hao do nhiệt độ, độ ẩm và quá trình lắp đặt sợi quang, khi khai
thác thì công cũng nh khi sản xuất, hiện tợng cong và vi cong làm tăng suy
hao tỷ lệ với exp (-R/Rc).
Trong đó: R là bán kính cong.
Rc = a/NA2: b¸n kÝnh cong cho phÐp.
Suy hao vi cong đợc xác định.
ATC

E
a4
.Nh 2 b 
6 3
E 
D 
 f 

3/ 2

Trong ®ã: N sè lợng bớc trên một đơn vị chiều dài cáp có độ cao
trung bình là h.
D- đờng kính ngoài của sợi cáp.
a- bán kính lõi cáp.
Eb và Ef là modul đàn hồi của sợi và của ống đệm.
3- Suy hao do đấu nối sợi quang:
Khi phải đấu nối hai đầu sợi quang, thờng xảy ra các suy hao tín hiệu
xung ánh sáng theo một trong các nguyên nhân sau:

dS

dr

a) Do hai sợi quang có lõi khác nhau
mở

b) Do NA
haiS sợiNA
quang
có góc
R
khác nhau

Đồ án tốt nghiệp

14


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

c) Do hai sợi quang đặt lệch và không đồng âm


d) Do hai sợi đặt xa nhau

e) Do hai sợi ®Ỉt lƯch nhau mét gãc 

f ) Suy hao do phản xạ Fresnet
4. Suy hao hấp thụ:
ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệu sợi và
đợc biến đổi thành nhiệt gây nên suy hao quang mà không lọt ánh sáng ra
ngoài. Suy hao này gäi lµ suy hao hÊp thơ. Vµ suy hao hÊp thụ đợc phân
chia thành hai loại, một loại là do bản thân sợi quang, thứ hai là do tạp chất
trong thuỷ tinh làm sợi quang .
Trong những giai đoạn đầu phát triển sợi quang, những tạp chất gây
nên các suy hao là các ion kim loại nh sắt, đồng vv tuy nhiªn hiƯn nay küv tuy nhiªn hiƯn nay kü
tht là giảm suy đà có những tiến bộ vợt bậc.

5. Suy hao tán xạ:
Tán xạ là một hiện tợng mà ánh sáng bị tán xạ theo các hớng khác
nhau khi nó gặp phải một vật nhỏ kích thớc không quá lớn so với bớc sóng
của ánh sáng. Độ lớn suy hao do tán xạ tỷ lệ nghịch mũ bốn bớc sãng ¸nh
s¸ng bëi vËy khi ¸nh s¸ng lan trun cã bớc sóng dài hơn thì suy hao trở
nên nhỏ đi.
Các sợi quang thực tế không thể có tiếp diện mặt cắt ngang tròn lý tởng
và cấu trúc hình trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi.
Nói chung tại mặt bên giữa lõi và vỏ sợi đôi chỗ có sự gồ ghề và không

nhẵn, những chỗ gồ ghề nh vậy trên bề mặt bên gây nên ánh sáng tán xạ và
một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài. Những chỗ không bằng phẳng này
gây nên suy hao quang, nó làm tăng suy hao quang bởi vì có các phản xạ
bất bình thờng đối với ánh sáng lan truyền. Loại suy hao này ngời ta gọi
chung là suy hao tán xạ do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang.
6. Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong:
Các suy hao bức xạ do bị uốn cong là các suy hao sinh ra do sợi bị uốn
cong. Với một sợi quang bị uốn cong, các tia sáng có góc tới vợt quá góc
giới hạn bị phát xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao. Bởi vậy trong việc thiết kế

Đồ ¸n tèt nghiÖp

15


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

các hệ thống thông tin sợi quang phải chú ý đến việc giữ bán kính cong sao
cho lớn hơn một giới hạn cho phép xác định.
7. Suy hao vi cong:
Khi sợi quang bị những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang
bị uốn cong đi một lợng nhỏ (Khoảng vài nm) làm tăng suy hao sợi quang
suy hao này gọi là suy hao cong vi lợng.
Trong việc thiết kế cấu trúc sợi quang, ngời ta chú ý đến sản xuất cấu
trúc của sợi để bảo vệ sợi chống lại các áp lực bên ngoài.
8. Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu, phát
quang:
Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc

xác định bằng khẩu độ số (NA). Khi so sánh đặc điểm của LD và LED thì
chúng có độ rộng chùm sáng khác nhau khi ghép vào sợi quang thì laser có
đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung
chùm ánh sáng.
Trong ghép nối giữa sợi với linh kiện thu quang thì các loại sợi có NA
lớn, loại GI thì có suy hao lớn hơn so với loại sợi SM vì chùm ánh sáng của
loại sợi này bị trải rộng ra. Tuy nhiên, sự khác nhau về suy hao do nguyên
nhân chùm sáng mở rộng thì nhỏ hơn rất nhiều so với suy hao ghép bản
thân nó.

Đồ án tốt nghiÖp

16


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

Chơng II
Cáp quang
I - Cấu trúc cáp quang:

Cáp quang tuỳ theo khả năng sử dụng, mục đích và yêu cầu sử dụng
trong các tuyến thông tin mà đợc chế tạo ra thành các loại cáp:
- Cáp treo: Là loại cáp có móc treo sẵn đợc treo theo các cột điện lực.
- Cáp chôn: Là loại cáp chôn trực tiếp dới mặt đất hoặc đặt trong các
ống cáp.
- Cáp thả nớc: Bao gồm cáp thả sông, đầm lầy, cáp biển. Loại cáp
này thờng vỏ bọc bên ngoài có thêm các đai kim loại để chịu đựng áp suất

của nớc đồng thời chịu lực căng của nớc và chống sự tấn công của cá mập.
Tuỳ theo từng loại cáp và yêu cầu sử dụng mà chúng đợc chế tạo có
các lớp vỏ, các vật liệu đệm và gia cờng cũng nh lõi cáp khác nhau.
1. Cấu trúc của cáp quang (nh hình 2.1 (a) và (b)):
4

5
2
1

5

3

2
1

3
6

(a)

Hình 2.1 - ALL DIELECTRIC (b)
1: CABLECORE
: Lõi cáp.
2: INTERNAL PLASTIC SHEATH
: ống đệm.
3: STRENGTH MEMBER
: Phần tử gia cờng.

Đồ án tốt nghiệp

17

7


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

4. METALLIC MOISTURE BARRIER : Băng nhôm chống
thấm nớc.
5. PLASTIC SHEATH : Vỏ ngoài PLASIC.
6. ARMOURING
: Vỏ bảo vệ bằng kim loại.
7. PLASTIC SHEATH : Vỏ ngoài cùng PLASTIC.
2. Các thành phần của cáp quang:
Cáp quang bao gồm các thành phần sau:
2.1 Lõi cáp:
Bao gồm sợi quang đợc đựng trong ống đệm chặt hoặc ống đệm lỏng,
đợc liên kết với nhau bằng cách sắn quanh một phần tử trung tâm gọi là
phần tử gia cờng. Bớc xoắn phải đủ dài để cho sơi quang không bị cong quá
mức quy định và đủ ngắn để đủ độ dÃn dài khi bị kéo căng cáp, phần từ
trung tâm làm bằng các Plastic có rÃnh vừa là chức năng gia cờng vừa để
sợi theo hình xoắn chôn ốc. Các ống đệm cũng bằng Plastic.
2.2. Phần tử gia cờng:
Phần tử gia cờng đặt trong lõi cáp quang để tạo ra sức chịu đựng lực
căng và sức chống co, để đảm bảo cho cáp ổn định khi lắp đặt cáp cũng nh
khi nhiệt độ của môi trờng thay đổi.

Phần tử gia cờng phải làm bằng vật liệu nhẹ, mềm dẻo, có modul đàn
hồi cao. Phần tử gia cờng có thể là:
- Kim loại: Thờng là các loại dây thép đợc đặt tại tâm hoặc vỏ cáp,
khi dùng thép phải chú ý chống ăn mòn và chốn điện áp cao do sét đánh.
- Phi kim loại: Thờng là dây thủy tinh Plastie tăng cờng (G-FRP)
hoặc là các sợi tơ Aramid. Thờng đặt ở tâm cáp có độ mềm dẻo cao (hoặc
đặt phân tán trong vỏ cáp).
Các cách đặt phần tử gia cờng trong lõi cáp quang (nh hình 2.2)

1

1

3

Đồ án tốt nghiệp

18


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông
3

3

2

2

2
1

Hình 2.2: - Cách đặt phần tử gia cờng.
member : Phần tử gia cờng.
2- Cablecore
3- Sheath

1- Strength

: Lõi cáp.
: ống đệm.

2.3. Các thành phần khác trong lõi cáp:
* 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 nớc vào cáp
hoặc cấp nguồn từ xa, nhng sự có mặt của các dây này gây ra nhợc điểm
cho cáp quang là hiện tợng cảm ứng điện từ của dây cao áp hoặc sét.
Các lớp đệm lót đợc sử dụng để bảo vệ lõi cáp từ lực nén xuyên tâm.
Đó là các vật liệu Plastic quấn hình chôn ốc quanh lõi cáp.
Các băng quấn quanh lõi cáp: Các băng này có hai chức năng là:
+ Liên kết các thành phần của lõi cáp với nhau.
+ Tạo ra lớp ngăn nhiệt khi cáp bị nóng và phồng ra.
* Một số loại cáp còn có bộ phận bơm không khí khô để chống ẩm
và chống thấm nớc.
* Chất độn làm đầy để bảo vệ lõi cáp không bị hơi ẩm vào và chống
nớc ngầm dọc cáp khi vỏ cáp bị thủng. Nó có tác dụng ổn định hóa học,
không tạo khí Hydrogen ... Chất độn chủ yếu n»m trong lâi c¸p, cã khi
trong vá c¸p.

2.4. Vá c¸p quang:
Vỏ cáp có tác dụng bảo vệ lõi cáp khỏi bị ảnh hởng ở bên ngoài. Các
vỏ Plastic (một hoặc nhiều vỏ) để bao bọc 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 đặc tính
cơ và hóa tốt chống cháy kém, hệ số ma sát thấp, thuận lợi khi kéo cáp vào
cống.
- Vỏ trong cùng thờng dùng là Polyethame vì nó mềm dẻo.

Đồ án tốt nghiệp

19


Đại Học Bách Khoa - Hà Nội

Khoa Điện Tử -Viễn Thông

* Lớp chắn hơi ẩm thờng là các băng nhôm mỏng, quấn kín lõi cáp
và ở phía trong lớp vỏ cáp ngoài cùng. Khi vỏ ngoài bị phồng lên thì lớp các
lá nhôm này vẫn ôm chặt các lớp phía trong, nh vậy ngăn đợc nớc đang
nằm trong lớp vỏ ngoài thấm vào trong.
* Vỏ bảo vệ bằng kim loại (armour) thờng là các sợi thép hoặc bằng
thép có múi, đợc dùng cho cáp chôn trực tiếp để bảo vệ các ứng suất xuyên
tâm và chống gặm nhấm.
3. Phơng pháp đánh dấu sợi quang:
Trờng hợp cáp có nhiều sợi quang hoặc nhiều nhóm sợi thì cần thiết
phải đánh dấu các nhóm sợi và các sợi trong nhóm, hoặc các sợi trong cáp
để tránh hàn nối nhầm, cũng nh khi khai thác và sửa chữa đợc dễ dàng.
Các mầu đợc phủ trực tiếp lên sợi và không làm ảnh hởng đến đặc

tính của sợi. Trờng hợp nếu các sợi đợc đặt trong ống theo lớp thì lấy ống
mầu đỏ làm chuẩn, đếm các màu khác theo chiều kim đồng hồ.
Ví dụ luật mầu trong sợi cáp của Đức:
Thứ tự sợi
Sợi 1
Sợi 2
Sợi 3
Sợi 4
Sợi 5
Sợi 6
Sợi 7
Sợi 8
Sợi 9
Sợi 10

Mầu
Xanh da trời
Vàng
Xanh lá cây
Đỏ
Không mầu
Xanh da trời + dấu tròn đen
Vàng + dấu tròn đen
Xanh lá cây + dấu tròn đen
Đỏ + dấu tròn đen
Không mầu, có dấu tròn đen.

Chơng III
Nguồn phát quang - Đầu thu quang
I. Nguồn phát quang:

Đồ án tèt nghiÖp

20