luận văn thạc sĩ đo lường trong thông tin quang

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
1
bộ giáo dục và đào tạo
viện đại học mở hà nội






luận văn thạc sĩ
ngành: kỹ thuật điện tử


Đề tài:
đo lờng trong thông tin quang







Ngời hớng dẫn khoa học:
GS.TS
Trần Đức Hân

Học viên:
Trần văn khoa

hà nội - 2012
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
1


Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Đo lờng trong thông tin quang, tôi đ vận
dụng tất cả các kiến thức đ đợc học trong quá trình vừa qua. Các kiến thức này là vốn
quý không chỉ trong sách vở mà còn là thực tế, kinh nghiệm mà các Thầy, Cô đ tận tâm
truyền đạt cho chúng tôi.
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, tôi đ đợc Thầy GS-TS Trần Đức Hân
đ tận tình hớng dẫn và giúp đỡ hoàn thành đợc bản luận văn này.
Đặc biệt, trong thời gian vừa qua, tôi đ đợc Ban Giám đốc Công ty Điện thoại Hà
nội 2 - Viễn thông Hà Nội, cùng các đồng nghiệp trong cơ quan đ nhiệt tình giúp đỡ, tạo
điều kiện và đóng góp nhiều ý kiến quý báu.
Vì các lẽ đó, tôi xin cảm ơn tất cả và rất mong rằng, đây chỉ là những kiến thức nhỏ
bé trong thực tế công tác của tôi.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định
rất mong đợc sự thông cảm

Học viên: Trần Văn Khoa

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
2

mục lục
LờI CảM ƠN
1
mục lục
2
danh mục hình vẽ
5
Lời nói đầu
9
thuật ngữ viết tắt
10
Chơng 1: Sợi quang và các thông số cơ bản của sợi quang 11

I/ Giới thiệu tổng quát 11

1. Lịch sử phát triển 11

2. Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang 12

3. Những u điểm của thông tin sợi quang 13

4. Những ứng dụng của sợi quang 13

II/ Lý thuyết về sợi quang 13

1. Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang 13

2. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 17

4. Sợi đa mode và đơn mode 20

III/ Các thông số cơ bản của sợi quang 22

A/ Suy hao của sợi 22

1. Định nghĩa 22

2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang 23

3. Đặc tuyến suy hao 30

B/ Tán xạ trong sợi quang 31

1. Hiện tợng, nguyên nhân và ảnh hởng của tán xạ 31

2. Các loại tán xạ 31

3. ảnh hởng hởng của sự trộn mode vào tán xạ mode trong sợi đa mode 35

4. Kết luận 38

C/ Đờng kính trờng mode 38

1. Sự phân bố trờng công suất trờng gần (near - field) 40

2. Sự phân bố trờng xa (Far - field) 40

D/ Bớc sóng cắt 41

1. Các khái niệm 41

2. Các phụ thuộc của bớc sóng cắt 43

E/ Các thông số hình học 43

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
3
F/ Yêu cầu kỹ thuật đối với cáp sợi quang 44

Chơng 2: Phơng pháp đo các thông số của sợi quang và cáp quang 46

I/ Đo suy hao sợi quang 47

1. Đo suy hao theo phơng pháp hai điểm 47

2. Đo suy hao theo phơng pháp đo tán xạ ngợc (Backscattering) 49

3. Một số vấn đề cần lu ý đo đoạn sợi quang ngắn 52

4. Bố trí dụng cụ đo 54

II/ Đo tán sắc và dải thông của sợi quang 56

1. Đo đáp ứng xung: 56

2. Đo đáp ứng tần số 57

3. Đo tán sắc sắc thể: 58

III/ Đo trờng mode: 61

1. Đo trờng xa: 61

2. Đo trờng gần 62

IV/ Đo bớc sóng cắt: 63

1. Đo bớc sóng cắt
c
trên đoạn sợi cha bọc cáp: 63

2. Đo bớc sóng cắt
cc
trên đoạn sợi đ bọc cáp: 64

V/ Đo cáp: 65

1. Các phép đo kiểm tra độ bền cơ học của các sợi quang 65

2. Các phép đo đánh giá ảnh hởng môi trờng đối với cáp sợi quang 69

VI/ Quy trình đo thử hệ thống cáp quang 71

1. Mục đích đo thử: 71

2. Các loại công tác đo thử: 71

3. Các phép đo: 72

Chơng 3: Máy đo OTDR và đánh giá sai số đo trong thông tin cáp sợi quang 79

I/ Thiết bị OTDR: 79

1. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR 79

2. Các thông số chính 82

3. Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR 84

II/ Đánh giá sai số đo lờng 88

1. Nguyên nhân và phân loại các sai số đo lờng 88

2. Sai số tuyệt đối và sai số tơng đối 90

3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số 90

4. Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của kết quả đo lờng 92

III/ Các nguyên nhân gây sai số khi đo cự ly bằng otdr 94

1 - ảnh hởng của chỉ số chiết quang đến phép đo: 94

2. ảnh hởng của bề rộng xung phát và dải động của OTDR 96

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
4
3 - ảnh hởng khi đặt vị trí con trỏ trên màn hình thiết bị OTDR: 97

4. ảnh hởng của sự sắp xếp sợi quang trong cáp 98

5. ảnh hởng của sơ đồ hoàn công khi xác định khoảng cách cáp 101

IV/ định giá sai số khi đo cự ly bằng thiết bị otdr 102

1. Thực nghiệm đo đạc bằng OTDR 102


2. Đánh giá kết quả đo đợc: 107
Kết luận

112
phụ lục
113
tài liệu tham khảo
118

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
5
danh mục hình vẽ

Chơng 1: Sợi quang và các thông số cơ bản của sợi quang 11

I/ Giới thiệu tổng quát
Hình 1.1: Sơ đồ khối một tuyến truyền dẫn quang 12

Hình 1.2: Sơ đồ khối một trạm lặp 13
II/ Lý thuyết về sợi quang
Hình 2.1: Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n
g
theo bớc sóng 14

Hình 2.2: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 15

Hình 2.3: Sự phản xạ toàn phần 15

Hình 2.4: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

Hình 2.5: Đờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau 16

Hình 2.6: Các dạng phân bố chiết suất 18

Hình 2.7: Truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (SI) 18

Hình 2.8: Truyền ánh sáng trong sợi GI 19

Hình 2.9: Các dạng chiết suất đặc biệt 20

Hình 2.10: Kích thớc sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125àm) 21

Hình 2.11: Kích thớc sợi đơn mode 21

Hình 2.12: Các loại sợi quang thông dụng 22

III/ Các thông số cơ bản của sợi quang
A- Suy hao của sợi
Hình 1.1: Công suất truyền trên sợi quang 22

Hình 1.2: Sự suy giảm công suất quang trong sợi quang đồng nhất 23

Hình 1.3: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại 23

Hình 1.4: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại 24

Hình 1.5: Độ hấp thụ của ion OG (với nồng độ 10
-6
) 25

Hình 1.6: Suy hao do tán xạ Rayleigh 25

Hình 1.7: Suy hao do ảnh hởng của uốn cong và vi uốn cong trên sợi quang 26

Hình 1.8: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R 27

Hình 1.9: Suy hao hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi 28

Hình 1.10: Suy hao hàn nối do các yếu tố ngoài 28

Hình 1.11: Suy hao hàn nối do chênh lêch thông số của 2 sợi 29

Hình 1.12: Độ suy hao do chênh lệch đờng kính và chiết suất 29

Hình 1.13: Các yếu tố ảnh hởng đến hiệu suất ghép quang 29

Hình 1.14: Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode 30

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
6
B- Tán xạ trong sợi quang
Hình 2.1: ảnh hởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b) 31

Hình 2.2: Phổ bức xạ của LED và LD 32

Hình 2.3: Phân bố năng lợng ánh sáng ở các bớc sóng khác nhau 33

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của tham số tán xạ mặt cắt vào bớc sóng 34

Hình 2.5: Các loại tán sắc trong sợi quang 34

Hình 2.6: Tán sắc sắc thể của các loại sợi 35

Hình 2.7: Sự thay đổi đờng đi của các tia sóng khi đi qua đoạn sợi quang bị uốn cong 36

Hình 2.8: Phụ thuộc của tán xạ mode vào sự trộn mode 37

Hình 2.9: Quan hệ B
m
và độ dài L 37

C- Đờng kính trờng mode
Hình 3.1: Phân bố trờng của mode cơ bản 39

Hình 3.2: Phân bố trờng mode 39

Hình 3.3: Phân phối công suất trờng gần 40

Hình 3.4: Phân phối công suất trờng xa 40

D- Bớc sóng cắt
Hình 4.1: Bớc sóng cắt
C

là một hàm của độ dài sợi 42

Hình 4.2: Bớc sóng cắt 43

E- Các thông số hình học
Hình 5.1: Dạng hình học của sợi quang 44

Chơng 2: Phơng pháp đo các thông số của sợi quang và cáp quang 46

I/ Hình suy hao sợi quang
Hình 1.1: Đo suy hao theo phơng pháp cắt sợi 47

Hình 1.2: Đo suy hao theo phơng pháp xen thêm suy hao 48

Hình 1.3: Truyền tia tán xạ ngợc 50

Hình 1.4: Nguyên lý đo phản xạ & tán xạ ngợc 51

Hình 1.5: Công suất quang thay đổi theo chiều dài 51

Hình 1.6: Ghép ánh sáng vào đầu sợi quang 52

Hình 1.7: Các hình thức của bộ lọc mode 53

Hình 1.8: Sơ đồ phơng pháp ghép non 54

Hình 1.9: Sự phụ thuôc của bớc song vào chiều dài và độ uốn 54

Hình 1.10: Bố trí dụng cụ đo suy hao 55

Hình 1.11: Đo suy hao theo hai chiều 55

II/ Đo tán sắc và dải thông của sợi quang
Hình 2.1: Nguyên lý phơng pháp đo đáp ứng xung 57

Hình 2.2: Nguyên lý phơng pháp quét tần số (Frequency-sweeping) 57

Hình 2.3: Nguyên lý phơng pháp so sánh 58

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
7
Hình 2.4: Cấu hình để đo tán sắc sắc thể bằng trễ thời gian 59

Hình 2.5: Cấu hình đo tán sắc sắc thể trực tiếp bằng: 60

III/ Đo trờng Mode
Hình 3.1: Đo trờng xa 61

Hình 3.2: Đo trờng gần 62

iV/ Đo bớc sóng cắt
Hình 4.1: Cấu hình đo thử để xác định bớc sóng cắt của đoạn sợi cha bọc cáp 63

Hình 4.2: Phổ Cut-off cho phơng pháp bend-reference 64

Hình 4.3: Phổ Cut-off cho phơng pháp multimode reference 64

Hình 4.4: Xác định bớc sóng cắt của đoạn sợi đ bọc cáp: 65

V/ Đo cáp
Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu lực căng của cáp 66

Hình 5.2: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu va đập của cáp 67

Hình 5.3: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu nén của cáp 68

Hình 5.4: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu xoắn của cáp 68

Hình 5.5: Sơ đồ bố trí dụng cụ kiểm tra đồ mềm dẻo của cáp 69

Hình 5.6: Chu trình nhiệt trong khả năng chịu nhiệt của cáp 70

Hình 5.7: Mô hình kiểm tra khả năng chống thấm của cáp 70

VI/ Quy trình đo thử hệ thống cáp quang
Hình 6.1: Phản xạ ở khớp nối 72

Hình 6.2: Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn giá ODF 72

Hình 6.3: Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn măng sông 73

Hình 6.4: Sơ đồ đo kiểm tra suy hao tuyến cáp 75

Hình 6.5: Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao toàn trình 75

Hình 6.6: Sơ đồ đo lỗi bit toàn tuyến 76

Hình 6.7: Sơ đồ đo công suất trong một khoảng lặp để tính công suất dự phòng 76

Hình 6.8: Minh họa Jitter 77

Hình 6.9: Các tần số qui định cho Jitter 78

Hình 6.10: Sơ đồ đo Jitter 78
Chơng 3: Máy đo OTDR và đánh giá sai số đo trong thông tin cáp sợi quang 79

I/ Thiết bị OTDR
Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR 80

Hình 1.2: Công suất phản xạ của một sợi đồng nhất 80

Hình 1.3: Sự biến thiên của công suất phản xạ qua các chớng ngại khác nhau 81

Hình 1.4: Sơ đồ phân bố công suất quang của một máy OTDR 84

Hình 1.5: Đồ thị phân bố suy hao trên tuyến 85

Hình 1.6: Xác định chỗ đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 85

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
8
Hình 1.7: Suy hao của mối hàn và khớp nối 86

Hình 1.8: Suy hao của mối hàn đo theo hai chiều 87

Hình 1.9: Dùng một OTDR để đo suy hao của mối hàn theo hai chiều 87

Hình 1.10: Kiểm tra thứ tự mối hàn bằng OTDR 88

II/ Đánh giá sai số đo lờng
Hình 2.1: Biểu đồ phân bố tần suất 91
Hình 2.2: Giản đồ của V theo X 91
Hình 2.3: Biểu thị đờng cong phân bố sai số ứng với thông số h 91

III/ Các nguyên nhân gây sai số khi đo cự ly bằng OTDR

Hình 3.1: Vùng chết của thiết bị OTDR 97

Hình 3.2: Cấu trúc cáp quang theo từng lớp 98

Hình 3.3: Cấu trúc cáp theo đơn vị 98

Hình 3.4: Sự khác biệt giữa chiều dài sợi quang và cáp 98

Hình 3.5: Các hình dạng của cáp 100

Hình 3.6. Xác định chỗ đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 101

IV/ Định giá sai số khi đo cự ly bằng thiết bị OTDR
Hình 4.1: o đầu si cáp 1 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 102

Hình 4.2: o si cáp 2 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 103

Hình 4.3: o si cáp 1 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 103

Hình 4.4: o si cáp 2 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 104

Hình 4.5: o si cáp 1 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 104

Hình 4.6: o si cáp 2 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 105

Hình 4.7: o si cáp 1 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 105

Hình 4.8: o si cáp 2 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 106

Hình 4.9: o si cáp 1 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 106

Hình 4.10: o si cáp 2 trên tuyn cáp 96Fo t T Ciputra n nh L1 KĐT 107


Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
9
Mở đầu

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin đợc phát triển mạnh mẽ hơn bao
giờ hết, đáp ứng đợc phần nào sự bùng nổ thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin
điện hiện đại có cấu trúc điển hình gồm các nút mạng đợc tổ chức nhờ các hệ thống
truyền dẫn khác nhau nh cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh,Nhu cầu
thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lợng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống
truyền dẫn kể trên không tổ chức đợc các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thông tin quang, ngời ta đ có thể tạo ra đợc các hệ thống truyền
dẫn tới vài chăm Gb/s. Một số nớc trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đ
chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hớng mới hiện nay của ngành Viễn
thông thế giới là cáp quang hóa hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia và đờng truyền dẫn
quốc tế.
Đối với Việt nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, trong
những năm qua, ngành Viễn thông Việt nam đ hoàn thành số hóa mạng lới truyền dẫn
liên tỉnh, xây dựng và đa vào sử dụng hệ thống đờng trục Backbone 240Gb/s đợc nâng
cấp từ 80Gb/s và trong giai đoạn hiện nay, ngành đang chủ trơng phát triển cáp quang hóa
đến thuê bao.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang đợc chế tạo
thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thông số của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn
trên tuyến. Do đó đòi hỏi phải xác định chính xác các thông số của nó.
Một trong những phơng pháp để xác định các thông số trên đang đợc sử dụng
rộng ri là sử dụng thiết bị OTDR để đo.

Vì thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản luận văn này còn có nhiều thiếu sót,
rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn Thầy GS-TS Trần Đức Hân đ tận tình quan
tâm giúp đỡ tôi để hoàn thành đợc bản luận văn này.




Luận văn tốt nghiệp Cao học
Đo lường trong thông tin quang
10

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit
FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SRS
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
OTDR Optical-time domain reflectometer Thiết bị quang tử
IP Internet Protocol Giao thức Internet
LED Light emitting diode Đi ốt phát quang
LD Laser Diode Đi ốt laser
SMF Single mode fiber Sợi đơn mode
SSMF Standard single mode fiber Sợi đơn mode chuẩn
OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang
DGD Differential Group Delay Trễ nhóm vi sai
OTU Optical transponder unit Khối thu phát quang

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
11
Chơng I: sợi quang và các thông số cơ bản
của sợi quang

I/ Giới thiệu tổng quát:
1/ Lịch sử phát triển
Trải qua một thời gian dài, từ khi con ngời sử dụng ánh sáng của lửa để làm
phơng tiện thông tin đến nay, lịch sử của thông tin quang đ qua những bớc phát
triển và hoàn thiện đợc ghi nhận bằng những mốc chính nh sau:
1790: CLAUDE CHAPPE, kỹ s ngời Pháp, đ xây dựng một hệ thống điện
báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo
hiệu di động trên đó. Thời ấy tin tức đợc truyền bằng hệ thống này vợt chặng
đờng 200Km trong vòng 15 phút.
1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý Anh, đ chứng tỏ rằng ánh sáng có
thể dẫn đợc theo vòi nớc uốn cong. Thí nghiệm của ông đ sử dụng nguyên lý
phản xạ toàn phần, điều mà vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay.
1880: ALEXANDERR GRAHAM BELL, ngời Mỹ giới thiệu hệ thống
photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trờng không
khí mà không cần dây. Tuy nhiên hệ thống này cha đợc áp dụng trên thực tế vì có
quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lợng của đờng truyền.
1934: NORMAN R. FRANCH, kỹ s ngời Mỹ, nhận bằng sáng chế về hệ
thống thông tin quang. Phơng tiện truyền dẫn của ông là các thanh thủy tinh.
1958: ARTHUR SCHAWLOW và CHARRLES H.TOWNES, xây dựng và
phát triển Laser.

1960: THEODOR H. MAIMAN đa Laser vào hoạt động thành công
1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn đợc thừa nhận. Vấn đề còn lại
là phải tìm môi trờng truyền dẫn quang thích hợp.
1966: CHARLES H. KAO và GEORGE A. HOCKHAM, hai kỹ s ở phòng
thí nghiệm Standard Telecommunications của Anh, đề xuấ việc dùng sợi thủy tinh để
dẫn ánh sáng. Nhng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ấy còn hạn chế nên suy
hao của sợi quá lớn ( ~ 1000 dB/Km)
1970: Hng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20dB/Km ở bớc sóng nm.
1972: Loại sợi GI đợc chế tạo với độ suy hao 4dB/km
1980: Loại sợi đơn mode đợc thử nghiệm với độ suy hao khoảng 0,2dB/km
1983: Sơi đơn mode (SM) đợc xuất xởng ở Mỹ
1985: Sản xuất đợc sợi quang dùng cho bớc sóng 1550 nm và tốc độ hệ
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
12
thống bắt đầu đến 560Mb/s. Năm 1986, ra đời 1.2 - 2.4Gb/s
Tháng 4/1989: Hệ thống TPC-3/HAW-4 là hệ thống xuyên Thái Bình Dơng
đầu tiên truyền tốc độ 280Mb/s tại bớc sóng 1300nm
Tháng 11/1993: Hệ thống TPC-4 nối giữa Mỹ - Nhật - Canada truyền tốc độ
560 Mb/s tại bớc sóng 1550nm
Ngày 18/08/1994: khánh thành hệ thống cáp ngầm dới biểm SEA-ME-WE-
2 bằng sợi quang dài nhất thế giới
Ngày nay lọai sợi đơn mode đợc sử dụng rộng ri. Độ suy hao của loại sợi
này chỉ còn khoảng 0.18db/km ở bớc sóng 1550nm
Đối với Việt Nam chúng ta, kỹ thuật thông tin quang mới đợc ứng dụng và
phát triển trong những năm 90
Năm 1980, tuyến Hà Nội - Nội Bài đợc xây dựng và đa vào sử dụng cáp
quang đầu tiên ở Việt Nam với dung lợng 34mb/s
Năm 1992, xây dựng và đa vào hoạt động tuyến trục thông tin quang Bắc -

Nam với dung lợng 34Mb/s tại bớc sóng 1300nm sử dụng cáp chôn ngầm theo
quốc lộ 1A
Năm 1996, đa vào hoạt động Hệ thống thông tin 2.5 Gb/s tại bớc sóng
1550 nm của đờng dây 500kv, cùng với tuyến Bắc - Nam theo QL 1A đợc nối
thành cấu hình Ring, đầu nối tại Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Qui Nhơn, Pleiku. Đến nay hệ
thống đờng trục Backbone 240 Gb/s trên cơ sở nâng cấp từ 80 Gb/s.
Thực hiện chủ trơng cáp quang hóa mạng Viễn Thông Việt Nam của Ngành
Viễn thông, các mạng nội hạt của các Viễn thông tỉnh cũng đợc xây dựng rộng ri
trong toàn quốc. Các đờng trung kế liên Đài cũng đợc cáp quang hóa với dung
lợng cao.
2/ Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang:
Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang đợc nêu trong H.1.1.
Trong đó tín hiệu điện có thể ở dạng analog hoặc digital, ngày nay dạng digital đợc
dùng phổ biến.

Hình 1.1: Sơ đồ khối một tuyến truyền dẫn quang
Nếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một vài trạm lặp
với sơ đồ khối trên hình H.1.2
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
13

Hình 1.2: Sơ đồ khối một trạm lặp
3/ Những u điểm của thông tin sợi quang:
So với dây kim loại, sợi quang có nhiều u điểm đáng chú ý là:
Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm đợc số
trạm tiếp vận
Dải thông tin rất rộng: Có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc độ cao
Trọng lợng nhẹ, kích thớc nhỏ: dễ lắp đặt và choán ít chỗ
Hoàn toàn cách điện: không chịu ảnh hởng của sấm sét

Không bị can nhiễu bởi từ trờng điện từ: vẫn hoạt động trong vùng có nhiễu
điện từ mạnh
Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại
với dung lợng và cự ly.
4/ Những ứng dụng của sợi quang:
Sợi quang đợc ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. Vị trí của
sợi quang trong mạng lới thông tin trong giai đoạn hiện nay bao gồm:
Mạng đờng trục Quốc gia
Đờng trung kế
Đờng cáp thả biển liên Quốc gia
Đờng truyền số liệu
Mạng truyền hình
Thuê bao cáp sợi quang
Mạng số đa dịch vụ ISDN
II/ Lý thuyết về sợi quang
1/ Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang
a/ Chiết suất của môi trờng
Chiết suất của một môi trờng đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trờng ấy.
C
n
v
=

n: Chiết suất của môi trờng, không có đơn vị
C: Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
14

v: Vận tốc ánh sáng trong môi trờng, đơn vị m/s
Vì v

C nên n

1
Chiết suất của vài môi trờng thông dụng:
- Không khí : n = 1,00029 có thể xem bằng 1
- Nớc : n = 1,333
- Thủy tinh : n = 1,48

1,5
Chiết suất của một môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng truyền
trong nó. Ví dụ: chiết suất của thủy tinh 100% SiO
2
thay đổi theo bớc sóng

nh
trên hình 2.1.
Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra ánh sáng trong một
khoảng hẹp bớc sóng chứ không phải chỉ có một bớc sóng. Do đó vận tốc truyền
của nhóm ánh sáng này đợc gọi là vận tốc nhóm V
g
và chiết suất môi trờng cũng
đợc đánh giá theo chiết suất nhóm n
g
.
g
dn
n n

d


=


Hình 2.1. Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n
g
theo bớc sóng






b. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng:
Tổng quát, khi tia sáng truyền trong môi trờng 1 đến mặt ngăn cách với môi
trờng 2 thì tia sáng tách thành hai tia mới: một tia phản xạ lại môi trờng 1 và một
tia khúc xạ sang môi trờng 2. Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới nh sau:
- Cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt
ngăn cách tại điểm tới)
- Góc phản xạ bằng góc tới:


1
=

1

- Góc khúc xạ bằng xác định từ công thức Snell:

1 1 2 2
sin sin
n n

=

g
dn
n n
d


=

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
15

Hình 2.2. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
c. Sự phản xạ toàn phần:
Từ công thức Snell đ nêu trên ta thấy:
- Nếu n
1
< n
2
thì

1
>

2
: Tia khúc xạ gy về phía gần pháp tuyến
- Nếu n
1
> n
2
thì

1
<

2
: Tia khúc xạ gy về phía xa pháp tuyến hơn
Trờng hợp n
1
> n
2
, nếu

1
thì

2
cũng tăng và

2
luôn lớn hơn

1
. Khi

2
= 90
o
,
tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì

1
đợc gọi là góc tới hạn

c
. Nếu tiếp
tục tăng

1
>

c
thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 2.2). Hiện
tợng này đợc gọi là sự phản xạ toàn phần.
Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell) với

2
= 90
0
có thể tính
đợc góc tới hạn

c
:

2
sin
1
n
c
n

=
hay
2
arcsin
1
n
c
n

=

Ví dụ:
- Góc tới hạn giữa thủy tinh (n
1
= 1,5) và không khí (n
2
= 1) đợc tính bởi:
1
0,67
1,5
2
sin
1

n
c
n

=
=

0
42
c




Hình 2.3. Sự phản xạ toàn phần

;
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
16
2. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang:
a. Nguyên lý truyền dẫn chung
ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm một lõi
(core) bằng thủy tinh có chiết suất n
1
và một lớp vỏ phản xạ (cladding) cũng bằng
thủy tinh có chiết suất n
2
với n
1

> n
2
(H.2.4). ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ
phản xạ đi lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ
phản xạ. Do đó ánh sáng có thể truyền đợc trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị
uốn cong nhng với một độ cong có giới hạn.

Hình 2.4: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

b. Khẩu độ số NA (Numerical Aperture):
Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi
nhỏ hơn góc giới hạn
c
(H.2.5). Sin của góc giới hạn này đợc gọi là khẩu độ số, ký
hiệu NA.
NA = sin
c


Hình 2.5: Đờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
áp dụng công thức Snell tính NA:
Tại điểm A đối với tai 2:
n
o
sin
max
= n
1
sin (90
o

-
c
)
Mà: n
0
= 1 (chiết suất của không khí)
sin(90
0
-
c
) = cos
c

2
0 2
2
sin(90 ) 1 sin 1
2
1
n
c c
n

= =
, vì
2
sin
1
n
c

n

=

Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
17
Do đó:
2 2
max 1 2 1
sin 2
NA n n n

= =

Trong đó:
2 2
1 2 1 2
2
1 1
2
n n n n
n n

=
độ lệch chiết suất tơng đối
Độ chênh lệch chiết suất tơng đối

có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013
(tức là từ 0,2% đến 1,3%)

Ví dụ: Sợi quang có n
1
= 1,50 và n
2
= 1,485 thì:
2 2
1 2 1 2
2
1 1
0,01 1%
2
n n n n
n n

= = =

2 2
max 1 2
sin 0, 21
NA n n

= =

0
max
12



3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất lớn và
một lớp vỏ bọc cũng bằng thủy tinh nhng chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc
không thay đổi, còn chiết suất của lõi, nói chung, thay đổi theo bán kính (khoảng
cách tính từ trục của sợi ra). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính đợc viết dới
dạng tổng quát nh sau, và đờng biểu diễn nh trên H.2.6:
8
1
2
( ) 1
n
r
n r
n
a



=







, r

a (trong lõi)
, a < r

(lớp bọc)
Trong đó:
n1: Chiết suất lớn nhất ở lõi
n2: Chiết suất lớp bọc
1 2
1
n n
n

=
: 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 mũ quyết định dạng biến thiên, g

1
Các giá trị thông dụng của g:
g = 1: dạng tam giác
g = 2: dạng parabol
g



: dạng nhảy bậc
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
18

Hình 2.6: Các dạng phân bố chiết suất

a. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi 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 nh hình bậc thang. Các tia từ nguồn quang phóng vào đầu sợi
với góc tới khác sẽ truyền theo những đờng khác nhau nh H.2.7.

Hình 2.7: Truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (SI)
Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc (vì V
ph
= c/n
1
, ở đây n
1

không đổi) mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau
trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tợng: Khi đa một xung
ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận đợc một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do
hiện tợng tán sắc (dispersion), sẽ đợc đề cập ở phần sau.
Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua
cự ly dài đợc. Nhợc điểm này có thể khắc phục đợc trong loại sợi có chiết suất
tần giảm dần.
b. Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Graded - Index)
Sợi SI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol
2
1
2
( ) 1
n
r
n r

n
a



=







, r

a
, a < r

b
Vì chiết suất thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn
cong dần (H.2.8).
Đờng truyền của các tia sáng trong sợi SI cũng không bằng nhau nhng vận
tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đờng truyền dài hơn nhng
có vận tốc truyền lớn hơn (V
ph
= C/n) và ngợc lại, các tia truyền gần trục có đờng
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
19
truyền ngắn hơn nhng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đờng

truyền ngắn nhất nhng đi với tốc độ nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu
chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đờng parabol (g=2) thì đờng đi của
các 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. Ví dụ: độ chênh lệch thời gian truyền qua
1 Km chỉ khoảng 0,1ns.

Hình 2.8: Truyền ánh sáng trong sợi GI
Cũng cần lu ý rằng góc mở

ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r vì n
1

là hàm n
1
(r).
2
2
1 2
sin ( ) ( ) 1
r
r n r n NA NA
a


= =



- Trên trục sợi: r = 0 thì

(0) =

max

- Trên mặt giao tiếp: r = a thì

(a) = 0
c. Các dạng chiết suất khác:
Hai dạng chiết suất SI và GI đợc dùng phổ biến. Ngoài ra còn có một số dạng
chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt nh:
Dạng giảm chiết suất lớp bọc: (H.2.9a)
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn phải tiêm
nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm
bảo đảm độ lệch chiết suất

nhng có chiết suất lõi n
1
không cao.
Dạng dịch độ tán sắc: (H.2.9b)
Nh sẽ phân tích sau này, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bớc
sóng gần 1300nm. Ngời ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng
1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất nh H.2.9b.
Dạng san bằng tán sắc: (H.2.9c)
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bớc sóng.
Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng ngời ta dùng sợi quang
có dạng chiết suất nh H.2.9c. Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới
áp dụng trong thí nghiệm chứ cha đa ra thực tế.
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
20

Hình 2.9: Các dạng chiết suất đặc biệt

4. Sợi đa mode và đơn mode:
Có hai hớng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang: một hớng dùng
lý thuyết tia sáng và một hớng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thông thờng lý
thuyết tia đợc áp 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, ngời ta phải dùng đến
lý thuyết sóng.
Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các phơng trình
Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác dịnh biểu thức sóng truyền
trong đó. Dựa trên biểu thức sóng đ xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền
dẫn của sóng.
a. Sợi đa mode (MM: Multi - Mode)
Sợi đa mode có đờng kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N
cũng lớn. Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125
à
m) là:
- Đờng kính lõi : d = 2a = 50
à
m
- Đờng kính lớp bọc : D = 2b = 125
à
m
- Độ lệch chiết suất :

= 0,01 = 1%
- Chiết suất lớn nhất của lõi : n
1
= 1,46

Nếu làm việc ở bớc sóng

= 0,85
à
m thì :
1
2 2
. . . 2 38
V a NA an


= =

Và số mode truyền đợc trong sợi là: (nếu là sợi SI)
2
726
2
V
N

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần (H.2.10)
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
21

Hình 2.10: Kích thớc sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125
à
àà
à
m)

b. Sợi đơn mode (SM: SingleMode)
Khi giảm kích thớc lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản (LP
01
) truyền đợc
trong sợi thì sợi đợc gọi là sợi đơn mde. Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn
mode khi thừa số V < V
C1
= 2,405.
Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi đa mode (kể cả loại sợi GI), đặc biệt
ở bớc sóng

= 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0).

Hình 2.11: Kích thớc sợi đơn mode
Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thớc lõi sợi đơn
mode nhỏ nên đòi hỏi kích thớc của các linh kiện quang cũng phải tơng ứng, các
thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu ngày nay đều
có thể đáp ứng, do đó sợi đơn mode đợc dùng phổ biến.
Đặc tính tổng quát của ba loại sợi quang thông dụng đợc tóm tắt nh trên
H.2.12.
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
22

Hình 2.12: Các loại sợi quang thông dụng
III/ Các tham số cơ bản của sợi quang
A. suy hao của sợi
1. Định nghĩa
Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ
tơng tự nh tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

.
10
( ) ( ) 10
a L
P L P O x

=

Trong đó: P(0): công suất ở đầu sợi (L=0)
P(L): công suất ở cụ ly L (Km) tính từ đầu sợi

: hệ số suy hao

Hình 1.1: Công suất truyền trên sợi quang
* Độ suy hao của sợi đợc tính bởi:
1
2
( ) 101
P
A dB g
P
=

Trong đó: P
1
= P(0) : công suất đa vào đầu sợi
P
2
= P(L): công suất ở cuối sợi
* Hệ số suy hao hay suy hao trung bình:

( )
( / )
( )
A dB
dB Km
L Km

=

Trong đó: A: suy hao của sợi
L: Chiều dài sợi
Về nguyên tắc đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lợng

) mà là quan hệ
công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn.
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
23

Hình 1.2: Sự suy giảm công suất quang trong sợi quang đồng nhất
2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang
Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi bị thất thoát
do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. Ngoài ra, còn có thể
kể thêm suy hao do hàn nối và do hiệu suất ghép quang.
a/ Suy hao do hấp thụ:
* Do t hấp thu (Hấp thu bằng cực tím và hồng ngoại):
Do có cấu tạo vỏ điện tử bao và do mối liên quan giữa năng lợng và tần số
bức xạ quang, nên các nguyên tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo
đặc tính chọn lọc bớc sóng.
Nh thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một

dải bớc sóng xác định với suy hao rất bé, hoặc hầu nh không suy hao. Còn ở các
bớc sóng khác sẽ có hiện tợng cộng hởng quang, quang năng bị hấp thụ và
chuyển hóa thành nhiệt năng.
Thủy tinh Silica (SiO
2
) hiện nay đợc sử dụng để chế tạo sợi quang có các
đỉnh cộng hởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại 10
à
m đến 20
à
m, khá xa vùng
bớc sóng sử dụng hiện nay cho thông tin quang là từ 0,8
à
m đến 1,6
à
m hoặc trong
vùng lân cận.
Tuy vậy, hiện tợng thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực
tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bớc sóng nh hình 1.3. Sự hấp
thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hớng sử dụng các bớc sóng dài
trong thông tin quang.


Hình 1.3: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại
Lun vn tt nghip Cao hc
o lng trong thụng tin quang
24
* Do hấp thụ do tạp chất kim loại
Trong thực tế, vật liệu chế tạo sợi không hoàn toàn tinh khiết mà có lẫn các
ion kim loại nh sắt (Fe), đồng (Cu), crom (Cr), mangan (Mn), nickel (Ni), Cobal

(Co) Các tạp chất này là một trong những nguồn hấp thụ năng lợng ánh sáng.
Hiện nay, các hệ thống truyền dẫn quang chủ yếu làm việc ở bớc sóng 1,3
à
m và
1,55
à
m nhng suy hao ở các bớc sóng này là rất nhạy cảm với sự không tinh khiết
này của vật liệu.
Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bớc
sóng ánh sáng truyền qua nó.
Với nồng độ tạp chất một phần triệu (10
-6
) thì độ hấp thụ của vài tạp chất nh
H.1

(dB/Km)

Hình 1.4: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại
Muốn đạt đợc sợi quang có độ suy hao dới 1dB/Km cần phải có thủy tinh
thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10
-9
). Với công nghệ chế
tạo sợi hiện đại, ngời ta có thể làm sạch kim loại và suy hao do các ion kim loại
không còn vai trò đáng kể nào nữa.
* Do hấp thụ của ion OH:
Sự có mặt của các ion OH của nớc còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo cũng
tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Độ hấp thụ ion OH chủ yếu ở bớc sóng
2700nm nằm ngoài bớc sóng dùng trong thông tin quang từ 850nm đến 1600nm
Ngoài ra, độ hấp thụ tăng vọt ở các bớc sóng 950nm, 1250nm và 1383nm.
Nh vậy, độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang.

Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion OH trong lõi sợi đợc giữ ở mức dới
một phần tỷ (10
-9
) để giảm độ hấp thụ của nó và ở các sợi có chất lợng cao chỉ còn
đỉnh tiêu hao ở bớc sóng 1250nm và 1383nm.