Sợi cáp quang, phương pháp đo được bằng OTDR và những yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thơng tin được phát triển
mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thơng tin
trên tồn thế giới. Các mạng thơng tin điện hiện đại có cấu trúc điển hình
gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau
như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh… Nhu cầu thơng tin
ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ
thống truyền dẫn kể trên khơng tổ chức được các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thơng tin quang, người ta đã có thể tạo ra được các
hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới ngày
nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% tồn bộ hệ thống
truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thơng thế giới là cáp
quang hố hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và đường truyền dẫn
quốc tế.
Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào cơng nghệ
hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hồn thành
vơ hố mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ
thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong
giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang hố mạng thơng tin
nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi
quang.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn
quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thơng số của
nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác
định chính xác các thơng số của nó.
Thơng thường, thơng số của sợi quang đã được xác định do nhà sản
xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi cơng, lắp đặt, sử dụng… ta
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
cng cn o c li vi thụng s cn thit cho mt tuyn cỏp si quang
nh : suy hao ton tuyn, suy hao trung bỡnh, suy hao hn ni, suy hao

ghộp, khong cỏch ca cun cỏp s dng, khong cỏch ca ton tuyn
Trong ú, quan trng nht l phi xỏc nh mt cỏch tng i chớnh xỏc
ca s c xy ra trờn tuyn.
Mt trong cỏc phng phỏp xỏc nh ca thụng s trờn ang
c s dng rng rói l s dng thit b OTDR o. Trong bn ỏn
ny, nờu ra cỏc phng phỏp o, trong ú gii thiu cỏc phng thc o
c bng OTDR, ng thi cng nờu ra nhng yu t nh hng n sai
s ca phộp o.
Vi thi gian cú hn, kin thc cũn hn hp, bn ỏn ny cũn cú
nhiu thiu sút, rt mong cú s úng gúp ca cỏc thy cụ giỏo.
Tụi xin chõn thnh cm n thy giỏo ó tn tỡnh quan tõm giỳp
tụi hon thnh c bn ỏn ny.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
CHNG 1 : C S Lí THUYT V SI QUANG
1.1. TNG QUAN V THễNG TIN QUANG
1.1.1. S phỏt trin ca h thng thụng tin quang.
Thụng tin xut hin trong xó hi loi ngi t rt sm, t xa xa
con ngi ó bit s dng la v phn chiu ỏnh sỏng bỏo hiu cho
nhau v õy cú th coi l mt hỡnh thc thụng tin bng ỏnh sỏng sm nht.
Sau ú, cỏc hỡnh thc thụng tin phong phỳ dn v ngy cng c phỏt
trin thnh nhng h thng thụng tin hin i nh ngy nay. trỡnh
phỏt trin cao v thụng tin nh hin nay, cỏc h thng thụng tin quang
c coi l cỏc h thng thụng tin tiờn tin bc nht, nú ó c trin
khai nhanh trờn mng li vin thụng cỏc nc trờn th gii vi mi
cu hỡnh linh hot, cỏc tc v c ly truyn dn phong phỳ, m bo
cht lng dch v vin thụng tt nht. nc ta ta, cỏc h thng thong
tin quang ó c phỏt trin rng khp c nc trong nhng nm gn õy,
v ang úng vai trũ ch o trong mng truyn dn hin ti.
cú c v trớ nh ngy nay, cỏc h thng thụng tin quang ó tri
qua s phỏt trin nhanh chúng ỏng ghi nh ca nú. Vo nm 1960, vic

phỏt minh ra laser lm ngun phỏt quang ó m ra mt thi k mi cú
ý ngha rt to ln trong lớch ca k thut thụng tin s dng di tn s
ỏnh sỏng. Vo thi im ú, hng lot cỏc thc nghim v thụng tin trờn
bu khớ quyn c tin hnh ngay sau ú. Tuy nhiờn, chi phớ cho cỏc
cụng vic ny quỏ tn kộm, kinh phớ cho vic sn xut cỏc thnh phn
thit b vt qua c cỏc cn tr do iu kin thi tit t nhiờn ó gõy
ra l con s khng l. Chớnh vỡ vy cha thu hỳt c s chỳ ý ca mng
li.
Bờn cnh ú, mt hng nghiờn cu khỏc ó to c h thng
truyn tin ỏng tin cy hn thụng tin qua khớ quyn l s phỏt minh ra si
dn quang. Cỏc si dn quang ln u tiờn c ch to mc dự cú suy
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô hình hệ thống
có xu hướng linh hoạt hơn. Năm 1966 Kao và một số nàh khoa học khác
đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang. Những nhận định này đã
được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ
tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970. Suy hao này nhỏ hơn nhiều so
với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương
đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không
ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần
lượt ra đời. Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi
dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc
1300mm. Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới <
0,2 dB/km tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ sợi quang trong những năm qua. Cùng với công nghệ chế tạo
các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống
thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông
tinâcps kim loại là :
-Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
-Bằng tần truyền dẫn lớn.

-Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ
-Có tính bảo mật tín hiệu thông tin.
-Có kích thước và trọng lượng nhỏ.
-Sợi có tính cách điện tốt.
-Tin cậy và linh hoạt.
-Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có.
Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng
rộng rãi trên mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến
đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việc truy nhập
vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường lắp đặt từ
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
trong nh, trong cỏc cu hỡnh thit b cho ti xuyờn lc a, vt i
dng v.v Cỏc h thng thụng tin quang cng rt phự hp vi cỏc h
thng truyn dn s khụng loi tr tớn hiu di dng ghộp kờnh no, cỏc
tiờu chun Bc M, chõu u hay Nht Bn.
Hin nay, cỏc h thng thụng tin quang ó c ỏp dng rng rói
trờn th gii, chỳng ỏp ng c tớn hiu tng t (analog) v s (digital),
chỳng cho phộp truyn dn tt c cỏc tớn hiu dch v bng hp v bng
rng, ỏp ng y mi yờu cu ca mng s hoỏ liờn kt a dch v
(ISDN). S lng cỏp quang hin nay c lp t trờn th gii vi s
lng rt ln, mi tc truyn dn vi cỏc c ly khỏc nhau, cỏc cu
trỳc mng a dng. Nhiu nc ly cỏp quang l mụi trng truyn dn
chớnh trong mng li vin thụng ca h. Cỏc h thng thụng tin quang s
l mi ụtj phỏ v tc , c ly truyn dn v cu hỡnh linh hot cho cỏc
dch v vin thụng cp cao.
1.1.2. Cu trỳc v cỏc thnh phn chớnh trong tuyn truyn dn quang.
Cho ti nay, cỏc h thng thụng tin quang ó tri qua nhiu nm
khai thỏc trờn mng li di cu trỳc truyn khỏc nhau. Nhỡn chung, cỏc
h thng thụng tin quang thng phự hp hn cho vic truyn dn tớn hiu
s v hu ht cỏc quỏ trỡnh phỏt trin ca h thng thụng tin quang u i

theo hng ny. Theo quan nim thng nht nh vy, ta cú th xem xột
cu trỳc ca tuyn thụng tin quang bao gm cỏc thnh phn chớnh nh
hỡnh 1.1 di õy :




Hỡnh 1.1. Cỏc thnh phn chớnh ca tuyn truyn dn cỏp si quang.
B thu quang
Mch
iu
khin
Ngun
phỏt
quang
u thu
quang
Chuyn
i tớn
hiu
Tớn hi
u
in vo

Tớn hi
u
in ra
B phỏt quang
Si
quang

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Cỏc thnh phn chớnh ca tuyn gm cú phn phỏt quang, cỏp si
quang v phn thu quang. Phn phỏt quang c cu to gm cú ngun
phỏt tớn hiu quang v cỏc mch in iu khin liờn kt vi nhau. Cỏp
si quang gm cú cỏc si dn quang v cỏc lp v bc xung quanh bo
v khi tỏc ng cú hi t mụi trng bờn ngoi. Phn thu quang do b
tỏch súng quang v cỏc mch khuch i, tỏi to tớn hiu hp thnh. Ngoi
cỏc thnh phn ch yu ny, tuyn thụng tin quang cũn cú cỏc b ghộp ni
quang (Connector). Cỏc mi hn, cỏc b ghộp ni quang, chia quang vcc
trm lp, tt c to nờn mt tuyn thụng tin quang hon chnh.
Tng t nh cỏpng, cỏp si quang c khai thỏc vi nhng
iu kin lp t khỏc nhau. Chỳng cú th c trao ngoi tri, chụn trc
tip di t, kộo trong cng, t di bin. Tu thuc vo cỏc iu kin
lp t khỏc nhau m di ch to ca cỏp cng khỏc nhau, cú th di t
vi trm một ti vi kilomet. Tuy nhiờn ụi khi thi cụng, cỏc kớch c ca
cỏp cng ph thuc vo tng iu kin c th, chng hn nh cỏp kộo
trong cng s khụng th cho phộp di c, cỏp cú di khỏ ln thng
c dựng cho treo hoc chụn trc tip. Cỏc mi hn s kt ni cỏc di
cỏp thnh di tng cng ca tuyn c lp t.
Si quang cú cu trỳc rt mnh. Nú c cu to ch yu bng vt
liu thu tinh. Dng ca si quang l hỡnh ng tr gm hai lp thu tinh
lng vo nhau v cú ng tõm cao. ng kớnh ca lừi dn ỏnh sỏng
vo khong 50àm i vi si n mode. ng kớnh ngoi ca lp v
phn x thụng thng vo khong 125àm cho c 2 loi si. Cú ba loi si
quang l si a mode ch s chit sut phõn bc, si a mode ch s chit
sut gradien, v si quang n mode. Tham s quan trng nht ca cỏp
si quang tham gia quyt nh di ca tuyn l suy hao si quang theo
bc súng. c tuyn suy hao ca si quang theo bc súng tn ti ba
vựng m ti ú cú suy hao thp l cỏc vựng bc súng 850nm, 1300nm,

1550nm. Ba vựng bc súng ny c s dng cho cỏc h thng thụng tin
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
quang v gi l cỏc vựng ca s th nht, ca s th hai v ca s th ba
tng ng.
Thit b phỏt quang cú nhim v phỏt ỏnh sỏng mang tớn hiu vo
ng truyn si quang. Cu trỳc thit b phỏt quang gm cú ngun phỏt
quang, mch iu khin in, v mch tip nhn tớn hiu u vo. Ngun
phỏt quang thit b phỏt cú th s dng ioe phỏt quang (LED) hoc
Laser bỏn dn (LD). Tớn hiu u vo thit b phỏt dng s hoc ụi
khi cúdng tng t s c tip nhn a vo phn iu khin. Mch
iu khin thc hin bin i tớn hiu in di dng in ỏp thnh xung
dũng. Cuicựng ngun phỏt s thc hin bin i tớn hiu in ny thnh
tớn hiu quang tng ng v phỏt vo si quang. Hỡnh 1.2 l s khi
ca thit b phỏt quang.



Hỡnh 1.3. S thit b phỏt quang
Tớn hiu ỏnh sỏng ó c iu ch ti ngun phỏt quang s lan
truyn dc theo si dn quang ti phn thu quang khi truyn trờn si
dn quang, tớn hiu ỏnh sỏng thng b suy hao v mộo do cỏc yu t hp
th, tỏn x, tỏn sc gõy nờn. B tỏch súng quang phn thu thc hin
trc tip nhn ỏnh sỏng v tỏch ly tớn hiu t hng phỏt ti. Tớn hiu
quang c bin i trc tip tr li thnh tớn hiu in. Cỏc photodiụt
PIN v photodiode thỏc APD u cú th dng lm cỏc b tỏch súng
quang trong cỏc h thng thụng tin quang, c hai loi ny u cú hiu sut
lm vic cao v cú tc chuyn i nhanh. Cỏc vt liu bỏn dn ch to
nờnghiờn cuỏc b tỏch súng quang s quyt nh bc súng lm vic ca
chỳng v uụi si quang u vo ca cỏc b tỏch súng quang cng phi
phự hp vi si dn quang c s dng trờn tuyn lp t. Yu t quan

Mó hoỏ
iu
khin

Ngun
phỏt
Tớn hiu
vo

Clock vo

Si
quang

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
trng nht phn ỏnh hiu sut lm vic ca thit b thu quang l nhy
thu quang, nú mụ t cụng sut quang nh nht cú th thu c mt tc
truyn dn s no ú ng vi t l li bit ca h thng; iu ny tng
t nh t s tớn hiu trờn tp õm cỏc h thng truyn dn tng t. Sau
khi tớn hiu quang c tỏch ti b tỏch súng quang, tớn hiu in thu
c ti u ra photodiode s c khuch i v khụi phc trv dng
tớn hiu nh u vo thit b phỏt. Nh vy s ca thit b thu quang
s cú th c mụ t nh hỡnh 1.4 sau :





Hỡnh 1.4. S thit b thu quang sụ.

1.1.3. Nhng u im v ng dng ca thụng tin si quang.
So vi dõy kim loi, si quang cú nhiu u im ỏng chỳ ý l :
-Suy hao thp : Cho phộp kộo di khong cỏch tip vn v do ú
gim c s trm tip vn.
-Di thụgn tin rt rng : cú th thit lp h thng truyn dn tc
cao.
-Trng lng nh, kớch thc nh : d lp t v chim ớt ch.
-Hon ton cỏch in : khụng chu nh hng ca sm sột.
-Khụng b can nhiu bi trng in t : vn hot ng trong vựng
cú nhiu in t mnh.
-Vt liu ch to cú rt nhiu trong thiờn nhiờn.


tỏch súng
photodiode
Khuch
i


i

u ch

nh

Quyt nh

Tớn hiu ra

Clock ra
Si
quang

Trớch Clock

Gii mó

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so với sợi
kim loại với cùng dung lượng và cự ly.
Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác.
Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn hiện nay
bao gồm :
-Mạng đường trục Quốc gia.
-Đường trung kế.
-Đường cáp thả biển liên quốc gia.
-Đường truyền số liệu.
-Mạng truyền hình.
Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng.
-Thuê bao cáp sợi quang.
-Mạng số đa dịch vụ ISDN.
1.2. LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG.
1.2.1. Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang.
1.2.1.1. Chiết suất của môi trường.
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh
sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi
trường ấy.

V

C
n =

n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s
V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s.
Vì V ≤ C nên n ≥ 1.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Chit sut ca mt mụi trng ph thuc vo bc súng ca ỏnh
sỏng truyn trong nú.
Cỏc ngun quang dựng trong thụng tin quang phỏt ra anhsangs trong
mt khong hp ch khụng phi ch cú mt bc súng. Do ú vn tc
truyn ca nhúm ỏnh sỏng ny c gi l vn tc nhúm Vnh v chit
sut mụi trng cng c ỏnh giỏ theo chit sut nhúm : n
nh.


d
dn
nn
nh
=

1.2.1.2. S phn x v khỳc x ỏnh sỏng.
Khi tia sỏng truyn trong mụi trng 1 n mt ngn cỏch vi mụi
trng 2 thỡ tia sỏng tỏch thnh 2 tia mi : mt tia phn x li mụi trng
1 v mt tia khỳc x sang mụi trng 2. Tia phn x v tia khỳc x quan
h vi tia ti nh sau :
-Cng nm trong mt phng ti (mt phng cha tia ti v phỏp
tuyn ca mt ngn cỏch ti im ti).

-Gúc phn x bng gúc ti :
1
=
1
.
-Gúc khỳc x c xỏc nh t cụng thc Snell :
n
1
sin
1
= n
1
sin
2
.






Hỡnh 1.5. S phn x v khỳc x ỏnh sỏng.
1.2.1.3. S phn s ton phn.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
T cụng thc Senll ó nờu trờn ta thy :
-Nu n
1
< n
2
thỡ

1
>
2
: Tia khỳc x góy v phớa gn phỏp tuyn
-Nu n
1
> n
2
thỡ
1
<
2
: Tia khỳc x góy v phớa gn phỏp tuyn
hn.
Trng hp n
1
> n
2
, nu tng
1
thỡ
2
cng tng v
2
luụn ln
hn
1
. Khi
2
= 90

0
, tc tia khỳc x song song vi mt tip giỏp, thỡ
1
c gi l gúc ti hn :
th
; nu tip tc tng
1
>
th
thỡ khụng cũn tia
khỳc x m ch cú tia phn x (hỡnh 1.6). Hin tng ny c gi l s
phn x ton phn.
Da vo nh lut khỳc x ỏnh sỏng (cụng thc Snell)vi
2
= 90
0

cú th tớch c gúc ti hn
th
.
1
2
1
2
n
n
arcSinhay
n
n
Sin

thth
==







Hỡnh 1.6. S phn x ton phn.
1.2.2. S truyn dn ỏnh sỏng trong si quang.
1.2.2.1. Nguyờn lý truyn dn chung.
ng dng hin tng phn x ton phn, si quang c ch to
gm mt lừi (core) bng thu tinh cú chit sut n
1
v mt lp v phn
x(Clalding) cng bng thu tinh cú chit sut n
2
vi n
1
> n
2
(hỡnh 1.7),
ỏnh sỏng truyn trong lừi si quang s phn x i phn x li nhiu ln
(phn x ton phn) trờn mt tip giỏp gia lừi v lp v phn x . Do ú
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
ỏnh sỏng cú th truyn c trong si cú c ly di ngay c khi si b un
cong nhng vi mt cong cú gii hn.

Hỡnh 1.7. Nguyờn lý truyn dn ỏnh sỏng trong si quang.
1.2.2.2. Khu s NA.
S phn x ton phn ch xy ra i vi nhng tia sỏng cú gúc ti
u si nh hn gúc ti hn
th
(hỡnh 1.8). Sin ca gúc ti hn ny c
gi l khu s, ký hiu NA :
NA = Sin
th
.





Hỡnh 1.8. ng truyn ca tia sỏng vi gúc ti khỏc nhau.
p dng cụng thc Snell tớnh NA :
Ti imA i vi tia 2 :
n
o
sin
max
= n
1
sin(90
0
-

th
)
m n
0
= 1 (chit sut ca khụng khớ
sin (90
0
-
th
) = cos
th
)
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
1
2
2
1
2
2
20
;1sin190(
n
n
viSin
n
n
Sin
ththth
=−=−=−
θθθ

Do đó :
∆≈−== 2
1
2
2
2
1max
nnnSinNA
θ

Trong đó
1
21
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn −
≈
−
=∆
: độ lệch chiết suất tương đối.
Độ lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013
(tức là từ 0,2% đến 1,3%).

1.2.3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu trúc chung của sợi quang 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 của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất của lõi nói
chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sơi ra). Sự
biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau,
và đường biểu diễn như trên hình 1.9.





∆−
=
2
2
1
1
]][1[
n
a
r
n
n
g
r
; r ≤ a (trong lõi) ; a < r ≤ b (lớp bọc)
Trong đó : n
1
: là chiết suất lớn nhất ở lõi

n
2
: là chiết suất lớp bọc.

1
21
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 mũ quyết định dạng biến thiến , g ≥ 1.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Các giá trị thông dụng của g :
g = 1 : dạng tam giác.
g = 2 : dạng parabol
g →∞ : dạng nhảy bậc.





Hình 1.9. Các dạng phân bố chiết suất.
1.2.3.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI).
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 tia từ nguồn quang
phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường
khác nhau như hình 1.10.

Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI).
Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài
đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng một
chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tượng. Khi đưa một xung ánh
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối
sợi, là hiện tượng tán sắc.
Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc
độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong
loại sợi có chiết suất giảm dần.
1.2.3.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI).
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol.





≤<
≤∆−
=
bran
ar
a
r

n
n
r
;
;])(1[
1
2
1
2
1
)(

Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong
lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau :





Hình 1.11. Truyền ánh sáng trong sợi GI.
Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau
nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường
truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn 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 truyền 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 các tia
sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
tỏn sc ca si GI nh hn nhiu so vi si SI . Vớ d : chờnh lch thi

gian truyn 1 km ch khong 0,1ns.
Cn lu ý rng gúc m u si GI cng thay i theo bỏn kớnh r
vỡ n
1
l hm n
1
(r).
NA
a
r
NAnrnSin
r
==
22
21)(
)(1)(


Trờn tr

c s

i : r = 0 thỡ
(O)
=
max
.
Trờn m

t giao ti

p r = a thỡ
(a)
= 0.
1.2.3.3. Cỏc d

ng chi

t su

t khỏc .
Hai d

ng chi

t su

t SI v GI

c dựng ph

bi

n. Ngoi ra cũn m

t
s

d

ng chi

t su

t khỏc n

hm

ỏp

ng nhu c

u

c bi

t nh

:
*D

ng gi

m chi

t su

t l

p b

c : (Hỡnh 1.12.a).
Trong k

thu

t ch

t

o s

i quang, mu

n thu

tinh cú chi

t su

t l

n
ph

i tiờm nhi

u t

p ch

t vo,

i

u ny tang suy hao. D

ng gi

m chi

t su

t
l

p b

c nh

m

m b

o

l

ch chi

t su

t nh

ng cú chi

t su

t lừi n
1

khụng cao.
*D

ng d

ch

tỏn s

c : (Hỡnh 1.12b).
Nh



ó bi

t,

tỏn s

c t

ng c

ng c

a s

i quang s

tri

t tiờu

b

c
súng g

n 1300 nm. Ng

i ta cú th

d

ch

i

m cú

tỏn s

c tri

t tiờu

n
b

c súng 1550nm b

ng cỏch dựng s

i quang cú d

ng chi

t su

t nh

hỡnh
1.12b.
*D

ng san b

ng tỏn s

c.
V

i m

c

ớch lm gi

m

tỏn s

c c

a s

i quang trong m

t kho

ng
b

c súng. Ch

ng h

n

ỏp

ng cho k

thu

t ghộp kờnh, nh

hỡnh 1.12.c.
D

ng chi

t su

t ny khỏ ph

c t

p nờn hi

n nay ch

m

i ỏp d

ng trong thớ
nghi

m ch

ch

a

a ra th

c t

.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN




Hỡnh 1.12 : Cỏc d

ng chi

t su

t

c bi

t.
1.2.4. Si a mode v n mode
:

Cú hai h

ng

kh

o sỏt s

truy

n ỏnh sỏng trong s

i quang : m

t
h

ng dựng lý thuy

t tia sỏng v m

t h

ng dựng lý thuy

t súng ỏnh
sỏng. Th

ng th

ng lý thuy

t tia sỏng

c ỏp d

ng vỡ nú

n gi

n, d


hỡnh dung. Song c

ng cú nh

ng khỏi ni

m khụng th

dựng lý thuy

t tia


di

n t

m

t cỏch chớnh xỏc, ng

i ta ph

i dựng

n lý thuy

t súng. Mode
l m

t trong nh

ng khỏi ni

m

ú.
Súng ỏnh sỏng c

ng l m

t súng

i

n t

cú th

ỏp d

ng cỏc ph

ng
trỡnh Maxwell v

i

i

u ki

n biờn c

th

c

a s

i quang

xỏc

nh bi

u

th

c súng truy

n trong nú. D

a trờn bi

u th

c súng

ó xỏc

nh cú th


phõn tớch cỏc

c

i

m truy

n d

n c

a súng.

Trong khuụn kh

cú h

n, ta s

khụng trỡnh by cỏc b

c gi

i
ph

ng trỡnh maxwell m ch

nờu lờn cỏc thụng s

rỳt ra t

k

t qu

cú
liờn quan

n

c tớnh truy

n d

n c

a s

i quang.
M

t Mode súng l m

t tr

ng thỏi truy

n

n

nh c

a ỏnh sỏng trong
s

i. Khi truy

n trong s

i ỏnh sỏng

i theo nhi

u

ng, tr

ng thỏi

n

nh
c

a cỏc

ng ny

c g

i l nh

ng mode. Cú th

hỡnh dung g

n

ỳng
m

t mode

ng v

i m

t tia sỏng. Cỏc mode

c ký hi

u LP
Và
v

i v = 0,
1, 2, 3, v à = 1, 2, 3, Mode th

p nh

t l LP
01
.
S

mode truy

n

c trong s

i ph

thu

c cỏc thụng s

c

a s

i,
trong

ú cú th

a s

V.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
NAakNAa
n
V
2
==


Trong

ú : a : l bỏn kớnh lừi s

i.
: l b

c súng.


n
K
2
=
: l s

súng.
NA : l kh

u

s

.
M

t cỏch t

ng quỏt, s

mode N truy

n

c trong s

i tớnh g

n

ỳng
nh

sau :
2
.
2
2
+

g
gV
N

Trong

ú : V : l th

a s

v.
g : l s

m

trong hm chi

t su

t.
S

mode truy

n

c trong s

i chi

t su

t nh

y b

c (SI). v

i g
l :
2
2
V
N

V

i chi

t su

t gi

m d

n (GI) cú g = 2 thỡ s

mode
4
2
V
V =

Vớ d

: m

t s

i quang lo

i GI (g = 2), v

i a = 25 àm , NA = 0,2

b

c súng = 1 àm cú th

a s

V l :
4,31102,0.25.
1
2
==
à
à

m
m
V

S

mode truy

n trong s

i ny l :
.247
4
4,31

4
22
==
V
N

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
S

i cú th

truy

n

c nhi

u mode

c g

i l s

i

a mode v s

i
ch

truy

n m

t mode

c g

i l s

i

n mode.
1.2.4.1. S

i

a mode (mm : multi - mode).
S

i

a mode cú

ng kớnh lừi v kh

u

s

l

n nờn th

a s

V v
s

mode N c

ng l

n. Cỏc thụng s

c

a lo

i s

i

a mode thụng d

ng
(50/125 àm) l :
-

ng kớnh lừi : d = 2a = 50àm

-

ng kớnh l

p b

c : D = 2b = 125àm
-

l

ch chi

t su

t : = 0,01 = 1%
-Chi

t su

t l

n nh

t c

a lừi n
1
= 1,46.
N

u lm vi

c

b

c súng = 0,85 àm thỡ :
382
2

2
1
== naNAaV





V s

mode truy

n

c trong s

i l : (N

u l s

i SI).
726
2
2

V
N

S

i

a mode cú th

cú chi

t su

t su

t nh

y b

c ho

c chi

t su

t gi

m
d

n (Hỡnh 1.13).






Hỡnh 1.13 : Kớch th

c s

i

a mode theo tiờu chu

n CCITT
(50/125àm).
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
1.2.4.2. S

i

n mode (Sà) : single mode).
Khi gi

m kớch th

c lừi s

i

ch

cú m

t mode súng c

b

n (LP
01
)
truy

n

c trong s

i thỡ g

i l s

i

n mode. Trờn lý thuy

t, s

i lm vi

c

ch





n mode khi th

a s

V < V
C1
= 2,405.
Vỡ ch

cú m

t mode súng truy

n truy

n trong s

i nờn

tỏn s

c do
nhi

u

ng truy

n b

ng khụng v s

i

n mode cú d

ng phõn b

chi

t
su

t nh

y b

c (Hỡnh 1.14).
Cỏc thụng s

c

a s

i

n mode thụng d

ng l :
-

ng kớnh lừi : d = 2a - 9àm ữ 10àm
-

ng kớnh l

p b

c : D = 2b - 125àm
-

l

ch chi

t su

t : = 0,003 = 0,3%
-Chi

t su

t lừi : n
1
= 1,46.





Hỡnh 1.14. Kớch th

c s

i

n Mode .
Cỏc thụng s

truy

n d

n c

a s

i

a mode v

n mode s



c phõn
tớch

ph

n sau,



õy ch

so sỏnh nh

ng nột n

i b

t c

a hai lo

i s

i ny.

tỏn s

c c

a s

i

n mode nh

h

n nhi

u so v

i s

i

a mode (k


c

lo

i s

i GI),

c bi

t

b

c súng = 1300 nm

tỏn s

c c

a s

i

n
mode r

t th

p ( ~ 0); Do

ú d

i thụng c

a s

i

n mode r

t r

ng. Song vỡ
kớch th

c c

a cỏc linh ki

n quang c

ng ph

i t

ng

ng v cú thi

t b

hn

c

u ngy nay

u cú th



ỏp

ng v do

ú s

i

n mode

c dựng ph


bi

n.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG
2.1. SUY HAO TRONG SỢI QUANG.
2.1.1. Định nghĩa :
Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý với quy
luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm

số truyền công suất có dang :
10
,
)0()(
10.
L
L
PP
α
−
=

Trong đó : P
(())
: là công suất ở đầu sợi (L = 0)
P
(L)
: là công suất ở cự ly L (km) tính từ đầu sợi
α : là hệ số suy hao.



Hình 2.1. Công suất truyền trên sợi quang.
-Độ suy hao được tính bởi :
2
1
lg10)(
P
P
dBA =

Trong đó : P1 = P
(0)
: là công suất đưa vào đầu sợi.
P2 = P
(L)
: là công suất ra ở cuối sợi.
-Hệ số suy hao trung bình .
)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB =
α

Trong đó : A : là suy hao của sợi.
L : là chiều dài sợi.
Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng α) mà là
quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn.

2.1.2. Đặc tuyến suy hao.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại sợi
nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung. Một đặc tuyến
điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau :

Hình 2.2. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode.
Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy
hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao.
-Cửa số thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng có
suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn
đầu . Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 - 3 dB/km. Ngày nay bước
sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất.
-Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm : suy hao ở bước sóng này
tương đối thấp khoảng 0,4 - 0,5 dB/km. Đặc biệt, ở bước sóng này có độ
tán sắc rất thấp nên đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.
-Cửa số thứ ba có bước sóng 1550nm : cho đến nay suy hao ở bước
sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2 dB/km. Trong những sợi quang
bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với ở bước sóng
1300. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt, có thể giảm
độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có được
cả hai điểm : suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550 nm sẽ được sử
dụng rộng rãi trong tương lại, nhất là các tuyến cáp quang thả biển.

2.1.3. Các loại suy hao trong sợi quang.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
2.1.3.1. Suy ao do hp th :
*Do t hp th (hp th bng cc tớm v hng ngoi) :
Do cú cu to v in t bao v do mi liờn quan gia nng lng
v tn s bc x quang, nờn cỏc nguyờn t ca vt liu si quang cng
phn ng vi ỏnh sỏng theo c tớnh chn lc bc súng.
Nh th, vt liu c bn ch to si quang s cho ỏnh sỏng qua t
do trong mt di bc súng xỏc nh vi suy hao rt nh, hoc hu nh
khụng suy hao. Cũn cỏc bc súng khỏc s cú hin tng cng hng
quang, quang nng b hp th v chuyn hoỏ thnh nhit nng.

Thu tinh silica (SiO
2
) hin nay c s dng ch to s quang
cú cỏc nh cng hng nm trong vựng vin hng ngoi 10àm n 20
àm, khỏ xa vựng bc súng s dng hin nay cho thụng tin quang l t
0,8àm n 1,6àm hoc trong vựng lõn cn.
Tuy vy, hin tng cng hng hp th hng ngoi cng cũn nh
hng suy hao cỏc bc súng gn phớa trờn bc súng 1,6àm. Ngi ta
thy rng t bc súng 1,6àm tr lờn thỡ suy hao tng rt nhanh theo bc
súng.
Nh vy, bn thõn thu tinh tinh khit cng hp th ỏnh sỏng trong
vựng cc tớm v vựng hng ngoi. hp th thay i theo bc súng
nh hỡnh 2.3. S hp th trong vựng hng ngoi gõy tr ngi cho khuynh
hng s dng cỏc bc súng di trong thụn tin quang.




Hỡnh 2.3. Suy hao do hp th vựng cc tớm v hng ngoi.
*Do tp cht kim loi :
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Trong thc t , vt liu ch to khụng hon ton tinh khit m cú
ln cỏc ion kin loi nh : Fe, Cu, Cr, Mn, Ni, Co Cỏc tp cht ny l
mt trong nhng ngun hp th nng lng ỏnh sỏng. Hin nay, cỏc h
thng truyn dn quang ch yu lm vic bc súng 1,3àm v 1,55àm
nhng suy hao cỏc bc súng ny li rt nhy cm vi s khụng tinh
khit ny ca vt liu.
Mun t c si quang cú suy hao di 1dB/km cn phi cú
thu tinh tht tinh khit vi nụng tp cht khong qua mt phn t (10
-

9
) vi cụng ngh ch to si hin i, ngi ta cú th lm sch kim loi v
suy hao do cỏc ion kim loi khụng cũn vai trũ ỏng k no na.
*Do hp th ca ion OH :
S cú mt ca cỏc ion OH
-
ca nc cũn sút li trong vt liu khi
ch to cng to ra mt suy hao hp th ỏng k. hp th ca ion
OH
-
ch yu bc súng 2700nm nm ngoi vựng bc súng dựng trong
thụng tin quang t 8500nm n 1600nm Ngoi ra, hp th tng vt
cỏc bc súng 950nm, 1250nm v 1383 nm.
Nh vy, m l mt trong nhng nguyờn nhõn gõy suy hao ca
si quang . Trong quỏ trỡnh ch to, nng ca cỏc ion OH trong lừi si
c gi mc di mt phn t (10
-9
) gim hp th ca nú v
cỏc si cú cht lng cao ch cũn nh tiờu hao bc súng 1250nm v
1383nm.
2.1.3.2. Suy hao do tỏn x ỏnh sỏng.
Nguyờn nhõn gõy suy hao do tỏn x l ch yu do tỏn x Ray leigh
v do mt phõn cỏch gia lừi v lp bc khụng hon ho :
*Tỏn x ray leigh :
Núi chung khi súng in t truyn trong mụi trng in mụi gp
nhng ch khụng ng nht s xy ra hin tng tỏn x. Nhng ch
khụng ng nht trong si quang ú cỏch sp xp ca cỏc phõn t thu
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
tinh , cỏc khuyt tt ca si nh : bt khụng khớ, cỏc vt nt khi kớch
thc ca vựng khụng ng nht vo khong 1/10 bc súng thỡ chỳng tr

thnh nhng ngun im tỏn x. Cỏc tia sỏng truyn qua nhng ch
khụng ng nht ny s to ra nhiu hng ch mt phn nng lng ỏnh
sỏng truyn theo hng c, phn cũn li truyn theo cỏc hng khỏc nhau,
thm chớ truyn ngc v phớa ngun quang.
Mt c im quan trng ca tỏn x Rayleigh l t l nghch vi lu
tha bc 4 ca bc súng (
-4
) nờn gim rt nhanh v phớa trc súng di
nh hỡnh 2.4.

TX
() =
TX
() .
4
0
)(



Trong ú :
TX
(
0
) : l h s tỏn x ti bc súng mu
0
xỏc nh
theo vt liu ch to si.
(dB/km)
5

4
3
2
1
0
0,7 0,8 1,3 1,6 (nm)
Hỡnh 2.4. Suy hao do tỏn x Rayleigh.
bc súng 850nm, suy hao do tỏn x Rayleigh ca si Silica
khong 1 - 2 dB/km v bc súng 1300 nm suy hao ch khong 0,3
dB/km . bc súng 1550nm suy hao cũn thp hn na.
*Tỏn x do mt phõn cỏch gia lừi v lp v khụng hon ho.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN