hệ thống thông tin cáp sợi quang

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay việc phát triển mạng lưới thông tin đã trở thành một vấn đề cực kỳ
quan trọng và cấp bách đối với Việt Nam nói riêng và toàn thế giới nói chung nhằm
phục vụ cho đòi hỏi của cuộc sống con người, trong quá trình đú đó nẩy ra ý nghĩ
và dần dẫn tới nghiên cứu và có sự thành công của kỹ thuật thông tin đã mở ra một
bước ngoặt đáng kể.
Sự phát triển của hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông đã tạo ra hiệu
quả kinh tế trong việc sử dụng môi trường truyền dẫn cho các hệ thống hoạt động
với tốc độ tối ưu. Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, nổi bật là băng
tần truyền dẫn rộng ở Việt Nam, mạng viễn thông đã và đang thực hiện chủ trương
đi thẳng vào kỹ thuật mới tiên tiến nhất, nên mặc dù đang ở giai đoạn đầu của chiến
lược phát triển mạng, đề án sử dụng thông tin cáp quang là chủ yếu và nó chiếm vị
trí quan trọng ở các phương diện như cáp biến quốc tế, hệ thống đường trục quốc
gia và nội hạt, nhất là ngành bưu chính - viễn thông Chính phủ càng quan tâm vì
đây là ngành có vai trò quan trọng trong cơ cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc
dân, với việc lắp đặt các hệ thống vi ba số, vệ tinh nhất là sắp phóng vệ tinh nhân
tạo (2003) … là hàng loạt tuyến truyền dẫn cáp quang đã và đang trang bị đưa vào
khai thác ở tất cả các trung tâm từ khu vực trung du miền núi đến các huyện, tỉnh,
thành và các cửa ngõ quốc tế. Chính vì thế mà phải có công tác đào tạo, bồi dưỡng
đội ngò kỹ thuật về lĩnh vực này là quan trọng và cấp thiết.
Được sự giúp đỡ tận tình và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Đức Thuận
cựng cỏc bài giảng của các thầy giáo, cô giáo trong cả trong cả quá trình học tập đó
giỳp em hoàn thành bản báo cáo này cũng như sự hiểu biết rất nhiều về lĩnh vực
thông tin quang.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt thành của thầy Nguyễn Đức Thuận
cựng cỏc thầy cô trong khoa điện tử - viễn thông cựng cỏc bạn.
Do sự hiểu biết, thời gian có hạn và lần đầu tiên làm báo cáo thực tập chắc chắn
không tránh khỏi những sai sót và vướng mắc, em rất mong được sự chỉ bảo của
các thầy, cỏc cụ cựng các bạn.

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Chương I
Tổng quan về hệ thống thông tin quang
1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin cáp sợi quang
Từ những suy nghĩ về thông tin quang đến những quá trình nghiên cứu, đến nay
có rất nhiều các loại hình hệ thống thông tin. Động cơ thúc đẩy sự ra đời của hệ
thống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc độ truyền dữ liệu để
có thể truyền được nhiều thông tin hơn nữa hoặc tăng khoảng cách truyền dẫn giữa
các trạm lặp.
Trước thế kỷ thứ XIX, tất cả các hệ thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rất
thấp về cơ bản, chỉ dưới ánh sáng hoặc âm thanh như đèn tín hiệu hay kèn. Một
trong những tuyến truyền dẫn ánh sáng được biết sớm nhất đó là sử dụng lửa của
những người Hy Lạp trong những thế kỷ trước công nguyên để truyền tín hiệu báo
động, lời cầu cứu hay các thông báo về những sự kiện nào đó.
Vào những năm 150 trước công nguyên, các tín hiệu nhìn thấy này được mó
hoỏ theo các ký tù alphabet để sử dụng rộng rãi phát đi những tín hiệu bản tin …
Những cải tiến có đầy sự nghiên cứu nhưng còn hạn chế về công nghệ, như tốc độ
của 1 tuyến thông tin bị hạn chế bởi sử dụng mắt người làm thiết bị thu, chính vì
vậy mà đòi hỏi tuyến truyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do ảnh hưởng của
sương mù, mưa nên sẽ làm cho tuyến truyền bị gián đoạn, nhiễu, không tin cậy, vì
thế nên việc gửi các thông tin bằng sức người lại nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B. Morse đã mở ra một kỷ nguyên
thông tin mới - kỷ nguyên thông tin điện. Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên
được sử dụng cáp đồng từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo, các công trình
thông tin đã được mở rộng bằng việc xây dựng các tổng đài điện thoại vào năm
1878 và năm 1887 phát hiện ra bức xạ điện từ bước sóng dài. Năm 1895 ứng dụng
bức xạ này để truyền vô tuyến.
Trong các hệ thống điện, dữ liệu được truyền cỏc kờnh thông tin bằng cách
chồng cỏc kờnh thông tin lên một sóng điện gọi là sóng mang.

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Tại phía thu thông tin được tách ra khỏi sóng mang và sử lý theo ý muốn.
Lượng thông tin cần truyền liên quan trực tiếp đến dải tần sóng mang hoạt động.
Khuynh hướng trong việc phát triển của hệ thống thông tin điện là sử dụng các
tần số cao dần lên phải tăng độ rộng băng truyền và dung lượng thông tin cũng
được tăng lên tương ứng, dẫn đến sự ra đời của vô tuyến truyền hình, ra đa và các
tuyến vi ba.
Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin
Đây là nguyên lý thông tin nguyên thuỷ.
Theo sơ đồ tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyền dẫn,
tương ứng ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Như vậy, tín hiệu đã được thông
tin từ nơi gửi tín hiệu đi đến nơi nhận tín hiệu đến. Đối với hệ thống thông tin
quang thì môi trường truyền dẫn ở dây là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh
sáng mang tín hiệu thông tin từ phớa phỏt tới phía thu.
* Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang:
Vào năm 1960, việc phát minh ra tia laser để làm nguồn phát quang và sợi dẫn
quang (nhưng độ suy hao lớn lên tới 1.000dB/km) đã mở ra một thời kỳ mới có ý
nghĩa lớn trong kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng và tạo ra được một
mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn.
Vào năm 1970, đã chế tạo thành công sợi thủy tinh có độ suy hao bé
(20dB/km), cho đến nay độ suy hao đạt tới mức cực nhỏ chỉ còn 0,154dB/km tại
bước sóng 1500nm. Giá trị suy hao này gần đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi
đơn mode là 0,14dB/km. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu
N¬i tÝn hiÖu
®i
N¬i tÝn hiÖu
®i
ThiÕt bÞ
ph¸t

M«i trêng
truyÒn dÉn
ThiÕt bÞ thu N¬i tÝn hiÖu
®Õn
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội
hơn so với hệ thống thông tin cáp kim loại.
- Suy hao truyền dẫn nhỏ
- Băng tần truyền dẫn lớn
- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin
- Kích thước và trọng lượng nhỏ
- Sợi có tính cách điện tốt
- Tin cậy và linh hoạt
- Sợi được chế tạo từ vật liệu có sẵn
Nhờ đó mà đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều mạng lưới như tuyến đường
trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao, kéo dài cho cả việc truy nhập vào mạng thuê bao,
đáp ứng mọi yêu cầu từ trong nhà các cấu hình thiết bị, tới xuyên lục địa, vượt đại
dương …. Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống tuyền
dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghộp kờnh nào.
Các tiêu chuẩn của Bắc Mỹ - Châu Âu hay Nhật Bản hiện nay các hệ thống
thông tin đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng các tín hiệu
analog hay digital cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng
rộng, đáp ứng mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp
đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với những cự ly
khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng, có những nước phát triển mạnh mẽ, lấy cáp
quang làm môi trường truyền dẫn mạnh mẽ chính trong mạng lưới viễn thông.
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang

* Sù phát triển của hệ thống thông tin quang:
Biểu hiện qua Hình 1
Các hệ thống hoạt động ở bước sóng 1550nm cho mức suy hao thấp nhưng lại
có mức tán xạ tín hiệu lớn hơn ở bước sóng 1300nm. Vì mức tán xạ này có thể
được khắc phục bằng cách sử dụng các sợi quang được chế tạo đặc biệt nờn nú đó
thu hót sự chú ý của tuyến truyền dẫn dưới biển và trên lục địa.
HÖ thèng 5 Gbit/s;233km víi 5 bé k/® quang
Sîi ®¬n mode
1300nm
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990
0.1
1.0
10
100
1000
HiÖu suÊt cña hÖ thèng (Gbit/s.km)
Sîi ®a mode
800nm
T¸ch sãng trùc tiÕp
Sîi ®¬n mode1550nm
T¸ch sãng kÕt
hîp ®¬n mode
1550nm
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Cấu trúc các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang:
Hình 2
Bé thu quang
Bé lÆp
M¹ch ®iÒu

khiÓn
Nguån
ph¸t
quang
T/h vµo
M¸y
thu
quang
M¸y ph¸t
quang
M¹ch
®iÖn
T/h ra
Bé khuyÕch ®¹i
KhuyÕch ®¹i
quang
Tíi c¸c thiÕt bÞ
kh¸c
Kh«i
phôc
tÝn
hiÖu
Bé chia quang
Bé nèi quang
T/h ®iÖn
T/h
quang
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Sợi đơn mode chỉ truyền duy nhất một mode, sợi đa mode có đường kính Dk

khá lớn, còn sợi đơn mode có đường kính Dk là nhỏ.
n
2
n
1
Xung vµo
Xung ra
Sîi SI - MM
(H.3a)
n
2
n
1
Xung vµo
Xung ra
Sîi GI - MM
(H.3b)
n
2
n
1
Xung vµo
Xung ra
Sîi SI - MM
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Nếu hiểu mode là các tia sáng thành phần được truyền dẫn thì trong sợi đa
mode có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, còn trong sợi đơn
mode chỉ có 1 mode được truyền là tia chạy song song với trục của sợi.
Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang hiện nay phù hợp cho việc truyền

dẫn tín hiệu số.
Các thành phần chính của 1 tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và
phần thu quang.
- Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điều khiển liên kết với nhau.
- Phần cáp sợi quang: gồm các sợi dẫn quang và cỏc lớp vỏ bọc xung
quanh để bảo vệ sợi khỏi bị tác động của môi trường bên ngoài.
- Phần thu quang: do bộ tỏch súng quang và các mạch khuếch đại, tái
tạo tín hiệu hợp thành.
Ngoài ra cũn cú cỏc bộ nối quang (connector) các mối hàn chia quang và các
trạm lặp.
1.2. Cấu tạo và các thông số của cáp sợi quang.
1.2.1. Cấu tạo sợi quang:
Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n
1
, bán kính a, đường kính Dk và
líp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang xung quang ruột có chiết suất n
2
(n
2
<n
1
).
Đường kính Dm
n
1
, n
2
và a là các tham số quyết
định đặc tính truyền dẫn của sợi

Với 2 chiết suet n
1
, n
2
có thể
định nghĩa được:
Hình 4- Cấu tạo sợi quang
n
2
Dk
Dm
a
n
1
(H.3c)
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
- Độ lệch chiết suất: ∆n = n
1
- n
2
- Độ lệch chiết suất tương đối:
∆ = ∆n/n
1
= (n
1
- n
2
)/n
1

= (n
1
2
- n
2
2
)/2n
1
2
Hai tham số này cũng quyết định đặc tính tuyền dẫn của sợi.
1.2.2- Phân loại và cấu trúc các sợi quang
a, Phân loại sợi quang:
Nhờ vào đặc tính truyền dẫn và những ứng dông cụ thể mà người ta chia sợi
quang ra những phương pháp khác nhau.
* Phân loại theo cấu tạo: Phân chia theo kích thước ruột và vỏ, theo loại vật liệu
sử dụng và theo sự biến thiến chiết suất trong ruột sợi.
* Phân loại theo đặc tính truyền dẫn: Phân chia theo các sợi đơn mode hay đa
mode. Trong thựctế đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia theo 2 loại này vỡ nú
bao gồm sự khác biệt về cấu trúc của vỏ và ruột sợi.
b, Cấu trúc các sợi đơn mode và đa mode
Đặc điểm của sợi đa mode là sự truyền đồng thời nhiều mode, tạm thời chúng
ta chỉ hiểu mode là một loại sóng hoặc là một tia thành phần, còn sợi đơn theo sự
biến thiên của chiết suất bên trong của sợi đơn, người ta chia sợi có chiết suất bậc
SI (Step Index) và sợi chiết suất biến thiên liên tục GI (Graded Index).
Trong sợi SI-MM chiết suất của sợi (n
1
) khụng thay đổi (vì n
1
>n
2

) của vỏ, nên
tại mặt phân cách vỏ, ruột chiết suất có bước nhảy trong sợi GI-MM. Chiết suất n
1
của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần cho đến mặt phân cách của vá
- ruột thì có giá trị n
2
của vỏ. Sợi đơn mode được chế tạo là loại sợi SI-MM, như
vậy có thể tạm chia sợi thành 3 loại trên.
H.3a: Sợi đa mode chiết suất bậc SI-MM (Multi Modes)
H.3b: Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI-MM
H.3c: Sợi đơn mode SI-MM (Single Mode)
Sự biến đổi của sợi có biểu hiện qua:
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
n(r) = n
1
[1-2(r/a)
g
]
1/2
n(r) = n
1
cho r > a
n = (r)
1/2
 1,5
r là hằng số điện môi tương đối của vật liệu, thực ra chiết suất còn thay đổi
theo bước sóng công tác.
H5: Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác
Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác

Khi muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột và vỏ sợi, người ta cho thêm chất
khác vào.
Vớ dô: Cũng là thuỷ tinh thạch anh cho thêm hoạt chất:
- Cho GcO
2
vào làm tăng chiết suất
- Cho Fluorid (F) vào làm giảm chiết suất
1
1,6
1,4
1,45
1,46
n
λ/µm
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
1.2.3- Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng
Nguyên lý cơ bản truyền dẫn ánh sáng dùa vào hiện tượng phản xạ toàn phần
của tia sáng tại mặt phân cách giữa 2 môi trường khi nó đi từ môi trường đặc hơn
sang môi trường loãng hơn (H6a; H6b)
Cho mét tia sáng đi từ một môi trường có chiết suất n
1
sang môi trường thứ hai
có chiết suất n
2
<n
1
Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một
góc . Khi sang môi trường thứ 2 tia sáng bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P một
góc khúc xạ . Quan hệ của góc  và  với các chiết suất n

1
và n
2
tuân theo định
luật khúc xạ của Slelious.
n
1
.sin = n
2
.sin
Khi tia tới đạt đến góc 
T
(tia 2) thỡ nú khụng đi vào môi trường thứ 2 nữa mà
bị khúc xạ chạy song song với mặt phân cách, góc khúc xạ là:

T
= 90
o
sin
T
= n
2
/n
1
Vïng P/x toµn phÇn
αT
β
α
αT
P

1
n
2
n
1
P
22
1
n
2
n
1
αT
P
H6a
H6b
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Nếu cho tia tới với góc tới  > 
T
thì tia sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách trở lại
môi trường 1, do đó người ta gọi 
T
là góc tới hạn. Độ lớn của góc tới hạn phụ
thuộc vào độ lệch chiết suất của 2 môi trường.
Muốn có phản xạ toàn phần cần phải có những điều kiện sau:
+ n
1
> n
2

+ góc tới lớn hơn góc tới hạn 
T
( > 
T
)
1.2.4- Kích thước sợi và vật liệu chế tạo sợi
Tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia quy định, đang
được tiêu chuẩn hoá quốc tế. Một số loại sợi có kích thước và vật liệu như trong
bảng sau (H4.0)
Bên ngoài líp vỏ còn được phủ 1 hoặc 2 líp bao che để khi chế tạo thành cáp có
tác dụng chống Èm và có tác dụng tăng độ bền cơ học, ngăn cản các chỗ rạn nứt
trên mặt vỏ sợi, giảm chất lượng truyền dẫn. Do vậy nếu sợi có đường kính vỏ là
125m thì đường kính sợi với líp vỏ bảo vệ thứ nhất là d<245m (Bảng 1)
Vật liệu ruột Dk (µm) Vật liệu vỏ Dm (µm)
Sợi đa mode
Thuỷ tinh thạch anh 50 Thuỷ tinh thạch anh 125
Thủy tinh nhiều
thành phần
50 … 200 Thủy tinh nhiều
thành phần
125 … 380
Thủy tinh thạch anh
nhiều thành phần
100 … 200 …
1000
Nhựa tổng hợp 200 … 380
… 1200
Nhựa tổng hợp 200 … 1000 Nhựa tổng hợp 250 … 1200
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang

Sợi đơn mode
Thuỷ tinh thạch anh 5 … 10 Thuỷ tinh thạch anh 125
1.2.5- Phạm vi ứng dụng
Sợi quang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong y học, công
nghiệp, quân sự … Trong kỹ thuật thông tin còng chia ra phạm vi ứng dụng trong
các hệ thống cự ly gần như trong quản lý dữ liệu tính toán, trên mạng máy tính,
mạng LAN trong truyền dẫn số liệu đo lường và điều khiển và trong các hệ thống
cự ly xa. Sau này chúng ta chủ yếu đề cập đến các loại sợi quang dùng trong hệ
thống dẫn đường trục cự ly xa.
* Núi chung các loại sợi SI chỉ dùng cho truyền dẫn trờn cỏc cự ly gần, có kích
thước d
k
> 50m và d
m
>125m và có thể chế tạo từ thuỷ tinh hoặc nhựa tổng hợp
theo các cấu trúc sau:
Ruột thủy tinh - Vỏ thủy tinh
Ruột thủy tinh - Vỏ nhựa tổng hợp
Vỏ và ruột đều là nhựa tổng hợp.
* Nhựa tổng hợp: là polyme cao phân tử như polystyrol có chiết suất n = 1,59
hoặc polymethy lacrylat có chiết suất n=1,49
* Sợi GI-MM được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực viễn thông, với vỏ và ruột
đều điều chế từ thủy tinh thạch anh, có kích thước chuẩn là:
d
k
= 50 + 3m
d
m
= 125 + 3m
Chủ yếu trong thông tin đường trục hiện nay sử dụng sợi đơn mode SM có kích

thước:
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
d
k
= 8 - 10m
d
m
= 125 + 3m
1.2.6. Các đặc tính tham số truyền dẫn.
1.2.6.1- Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode:
Đặc điểm của sợi đa mode là có đường kính d
k
lớn hơn bước sóng công tác 
(dk<).
a, Trong sợi SI - MM:
Chiết suất của vỏ n
2
<n
1
của ruột khoảng 1%.
Xột hình bổ dọc trục sợi, xem xét các tia sáng lan truyền trong 1 mặt phẳng như
hình sau:
Hình 7: Sù lan truyền của tia sáng trong sợi SI-MM
Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang phải đi qua môi trường không
khí có chiết suất n
k
= 1 rồi vào ruột sợi có chiết suất n
1
lớn hơn n

k
. Vì thế khi đi qua
mặt cắt đầu sợi, các tia sẽ bị khúc xạ.
Chùm a.s đi vào sợi là vô số tia với cỏc gúc tia tới 0 khác nhau. Trong sợi có
một tia song song với trục quang của sợi (tia 1) và nhiều tia khác tạo với trục quang
tạo một gúc ngiờng, ở mặt phân cách của vá - ruột, các tia này tạo với pháp tuyến
của mặt phân cách một góc ’
T
thỏa mãn điều kiện:
αT
αA max
αA
Nguån
bøc x¹
O
max
3
n
2
n
1
2
1
n
k
=1
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
’
T

= 90
o
- 
A
Để các tia này lan truyền được trong ruột sợi đến đầu cuối sợi tại mặt phân cách
vá - ruột thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần.
Góc tới hạn 
T
được tính:
sin
T
= n
2
/n
1
 
T
= arcsin(n
2
/n
1
)
Các tia muốn được lan truyền phải có góc tới ’
T
>
T
, các tia được phản xạ đi
qua tâm sợi đến phía đối diện tại đó lại được phản xạ toàn phần, ngược lại cứ như
vậy các tia chạy theo các đường rích rắc đến cuối sợi.
Tương ứng với góc tới hạn 

T
có góc ngiờng lớn nhất cho phép các tia so với
trục quang là 
Amax
.

Amax
= 90
o
- 
T
Các tia sáng muốn lan truyền thỏa mãn điều kiện thì phải có góc  thỏa mãn:
0 < 
A
< 
Amax
Sợi SI-MM này dùng thuỷ tinh thạch anh, giá trị của n/n
1
nằm trong phạm vi
từ 0,010,03. Do vậy theo các công thức trên có góc ngiờng lớn nhất:

Amax
= 8
o
11
o
Trong đó:
* 
A
: góc khúc xạ của tia khi tia đi từ không khí qua tiết diện mặt cắt vào trong

ruột sợi.
* 
Amax
: góc khúc xạ lớn nhất cho phép để thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn
phần tại mặt phân cách vá - ruột sợi.
* 0
max
: góc lớn nhất cho phép hợp bởi tia từ nguồn qua không khí để đến mặt cắt
sợi và pháp tuyến trùng với mặt cắt sợi và pháp tuyến mặt cắt trùng với trục quang
của sợi.
Muốn các tia trong sợi SI-MM được truyền dẫn còn phản xạ toàn phần trên mặt
phân cách vá - ruột sợi thỡ các tia đưa vào sợi phải nằm trong hình nón các tia với
nửa góc mở là 
max
. ở đầu cuối sợi các tia cũng được bức xạ ra dưới một hình nón
với góc mở bằng góc lý thuyết 
max
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
• A
N
(Numerical Aperture): độ mở đặc trưng cho khả năng ghép luồng bức xạ
quang vào sợi và khả năng truyền dẫn của sợi. Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy
ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn 
max
. Sin
của góc tới hạn này là khẩu độ số ký hiệu là A
N
.
Hình 8: Sự phản xạ của các tia sáng trong sợi .

Áp dụng công thức shell để tính N
A
:
Tại điểm A đối với tia 2:
n
0
sin
max
= n
1
.sin(90
o
- 
0
)
Nếu n
0
=1, chiết suất của không khí
sin
max
= sin(90
o
- 
0
) = cos
0
Trong đó:
∆≈==
−
2

2
1
1
2
2
max
sin n
n
n
N
A
θ
n
2
3
2
θmax
θo=90
0
1
2
3
1
n
1
n
2
A
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang

 = (n
1
2
- n
2
2
)/2n
1
2
= (n
1
- n
2
)/n
1
: độ lệch chiết suất tương đối
Độ lệch chiết suất tương đối  có giá trị khoảng từ 0,0020,003 (tức
là 0,2%1,3%)
Do các tia tới chạy theo rích rắc khác nhau đến cuối sợi, sẽ có độ dài quãng
đường khác nhau cho đến từng tia sáng thành phần có thời gian lan truyền tới cuối
sợi khác nhau. Do đó độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỷ lệ thuận với độ
mở A
N
. Ngược lại hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn bức xạ vào sợi quang lại tỷ lệ
thuận với bình phương của độ mở A
N
. Vì vậy muốn có hiệu suất ghép ánh sáng cao
cần chọn sợi có độ mở A
N
lớn, song lại sinh ra độ lệch về thời gian lớn. Do đó 2

yêu cầu đối với sợi có độ rộng băng truyền dẫn lớn và có hiệu suất ghép ánh sáng
lớn là luôn mâu thuẫn với nhau.
b, Trong sợi GI-MM
* Đặc điểm: Chiết suất của ruột sợi là thay đổi theo bán kính, còn ở vỏ sợi thì
chiết suất của nó không thay đổi. Trong ruột sợi thì chiết suất của nó có giá trị giảm
dần từ giá trị lớn nhất n
0
ở tâm sợi cho đến giá trị nhỏ nhất n
2
tại mặt phân cách vá -
ruột và là một hàm số của bán kính r hoặc tỷ số r/a.
Hình 9- Đặc tuyến truyền dẫn ánh sáng trong sợi GI-MM
* Tia 1: tia dọc trục
* Tia 2: tia không đến mặt giới hạn vá - ruột
* Tia 3: tia đến mặt giới hạn vá - ruột
r
n
0
2
1
3
n
2
n
1
n
2
n
1
n

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Tia dọc trục có đường đi ngắn nhất, nhưng vỡ cú n(r) = n
0
= max nờn cú tốc độ
bé nhất.
Vì vậy trong sợi GI-MM thì sự thay đổi tốc độ lan truyền bù lại sự chênh lệch
về quãng đường của các tia, bù trừ sự chênh lệch thời gian truyền dẫn của chúng và
độ chênh lệch thời gian trong sợi GI nhỏ hơn trong sợi SI nhiều. Nên chiết suất của
ruột sợi biến thiên theo gần hàm parabol, có tham số mặt cắt gần bằng 2 thì sợi là
tối ưu, có độ lệch thời gian là bé nhất.
* Nhược điểm của sợi GI là góc mở  thay đổi theo vị trí đưa chùm tia vào và
kéo theo độ mở của sợi luôn thay đổi.
1.2.6.2- Sù lan truyền ánh sáng trong sợi đơn mode
Muốn sóng lan truyền trong sợi đơn mode thì cần chọn độ lệch chiết suất tương
đối  nhá hơn ở chế độ đa mode. Đường kính D
k
ở sợi đơn mode nhỏ hơn của sợi
đa mode. Vì chỉ còn một mode lan truyền nờn khụng lệch thời gian ở cuối sợi,
khụng mộo tín hiệu, do đó sợi có băng tần truyền dẫn rất lớn và cho phép truyền
dẫn lượng thông tin rất xa.
* Nhược điểm của sự lan truyền này là sợi có đường kính ruột sợi nhỏ nên việc
hàn nối các sợi gặp rất nhiều khó khăn hơn sợi đa mode.
1.2.7- Tiêu hao truyền dẫn trong sợi quang
1.2.7.1- Định nghĩa:
Khi lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng bị giảm dần, ánh sáng bị tổn
hao.
P(z) = P(o).10
/10
Trong đó: P(o): Công suất ở đầu sợi (z=0) P(o): Công suất ở đầu sợi (z=0)

P(z): Công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi
: hệ số suy hao
* Độ suy hao của sợi được tính:
P
P
dBA
2
1
lg10)( =
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Trong đó: P P
1
= P(0): công suất đưa vào đầu sợi
P
2
= P(L): công suất ở cuối sợi
* Hệ số suy hao trung bình:
(dB/km) = A(dB)/L(km)
Trong đó: A: suy hao của sợi A: suy hao của sợi
L: chiều dài sợi
1.2.7.2- Cỏc nguyên nhõn gây tiêu hao
* Hiện tượng hấp thụ:
a, Hiện tượng tự hấp thụ:
Do sợi quang được chế tạo bằng các vật liệu thủy tinh thạch anh, hoặc thủy tinh
thạch anh nhiều thành phần nên ở một số bước sóng nhất định sẽ có lượng cộng
hưởng quang, quang năng bị hấp thu và chuyển hoá thành nhiệt năng, bước sóng
>1,6m tiêu hao tăng lên nhanh, vùng bước sóng công tác >0,85m tiêu hao thấp.
b, Hiện tượng hấp thụ do không tinh khiết.
Do vật liệu sợi quang không hoàn toàn tinh khiết, các tạo chất kim loại trong

thuỷ tinh là một trong nhữg nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất thường gặp như
Fe, Cu, Mn, Cr (chlonium), Co (cobal), Ni (niken).
Mức độ hấp thu của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng
ánh sáng truyền qua nã.
Hình 10- Đặc tuyến suy hao do sự hấp thụ của sợi
0
600
500
100
500
600
800
1000
1600
λ(nm)
α(dB/km)
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
* Hiện tượng tán xạ:
Xuất hiện do ảnh hưởng của các chỗ không đồng nhất còn sót lại trong giai
đoạn làm nguội sợi trong quá trình nấu chảy thủy tinh để kéo dài sợi. Ảnh hưởng
của nó phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo sợi, kích thước của các
chỗ không đồng nhất nhỏ hơn bước sóng ánh sáng vùng hồng ngoại gần nhiều nên
khi bước sóng tăng thỡ thiờu hao này giảm nhỏ nhất rất nhanh.
a, Tán xạ Rayleigh
Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi, gặp những chỗ không đồng
nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thủy tinh, các khuyết tật của
sợi như bọt không khí, các vết nứt … khi kích thước của vùng không đồng nhất vào
khoảng 1/10 bước sóng thỡ chỳng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia
sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ một

phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền thộo
cỏc hướng khác, thậm chí còn truyền ngược lại phía nguồn phát quang.
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Hình 11- Đặc tuyến của tán xạ Rayleigh
Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng
(/4) nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài ở bước sóng 850nm suy hao do tán
xạ này của sợi silicat khoảng 12dB/km và ở bước sóng 1550nm suy hao chỉ còn
lại rất bé.
Chóng ta cần chú ý rằng tán xạ Rayleigh la nguyên nhân gây suy hao cho sợi
quang nhưng lại ứng dụng trong đo lường của máy đo quang.
1
5
2
3
4
α(dB/km)
λ µm
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
b, Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và líp bọc không hoàn hảo: khi tia sáng
truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lừi - lớp bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ, lúc
đó chỉ 1 tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với cỏc gúc phản xạ khác nhau. Những tia có
góc phản xạ nhỏ hơn góc tới sẽ khúc xạ ra líp bọc và bị suy hao dần.
* Suy hao do sợi bị uốn cong:
a, Vi uốn cong:
Khi sợi bị chèn Ðp tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng
tăng lên. sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi
uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bổ trường bị tráo lộn khi đi qua
những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Đặc biệt
sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài.

b, Uốn cong:
Khi sợi uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Dĩ
nhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp
đặt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn bán kính tối thiểu cho phép thì
suy hao do uốn cong không đáng kể. bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề
nghị thông thường từ 3050mm
10 20 30 40 50 60
H12- Đặc tuyến suy hao do uốn cong
10
1
0.1
0.01
α(dB/km)
R(nm)
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
* Các tiêu hao khác:
Đối với sợi có cấu trúc không đồng đều thỡ cú thêm phần tiêu hao phụ, chẳng
hạn tiêu hao do tán xạ tại các sợi có cấu trúc không đồng nhất như uốn cong đường
kính ruột thay đổi, hoặc do chiết suất biến thiên không đều. Bản chất của nó là do
một phần năng lượng ánh sáng lọt ra ngoài vỏ chạy trong vỏ và suy giảm dần theo
hàm mũ. Độ lớn tiêu hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép.
1.2.8- Phổ tiêu hao của sợi quang
Trong thông tin quang dùng sợi thủy tinh thạch anh người ta chọn vùng bước
sóng có suy hao bộ (vựng truyền dẫn) hay vùng 3 cửa sổ nằm giữa các bước sóng
0,81,7m.
Đặc tính của nó ở vùng bước sóng tiêu hao nhỏ từ 0,81,7m được thể hiện:
H13- Đặc tuyến phổ tiêu hao của sợi quang
1.2.8.1- Vùng truyền dẫn 1: =0,80,9m


min
= 22dB/km giá trị tiêu hao bé nhất, vùng này bị hạn chế bởi đỉnh tiêu hao
ở 0,95m mặc dù có nhiều sợi không còn đỉnh này nữa, đây là vùng dành cho sợi
10
8
6
4
2
0
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.5
λ / (µm)
dB/km
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
đa mode SI-MM và GI-MM để ứng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn
với tốc độ truyền dẫn chỉ khoảng vài chục MBit/s.
Linh kiện phát ra là các Diode Laser hoặc LED chế tạo từ vật liệu Ga-As hoặc
Ga-Al-As và linh kiện thu chế từ vật liệu Silic.
1.2.8.2- Vùng truyền dẫn 2: =11,3m
Tiêu hao bé nhất của vùng này là: 
min
= 0,35dB/km, tại =1,3m
Vùng này bị giới hạn bởi đỉnh tiêu hao ở 1,24m và 1,38m; tán xạ vật liệu
không còn. Nên sử dụng sợi đa mode GI và sợi đơn mode cho các hệ thống cự ly xa
với tốc độ lên tới hàng 100MBit/s đi xa tới hàng chục km, linh kiện thu phát quang
thường sử dụng là các bán dẫn liên kết 3 hoặc 4.
1.2.8.3- Vùng truyền dẫn 3: Có bước sóng =1,51,7m
Tiêu hao bé nhất của vùng này là: 
min
= 0,16dB/km, tại =1,55m

Vùng này bị giới hạn bởi đỉnh suy hao hấp thụ ở bước sóng =1,38m; chủ
yếu dùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa với tốc độ truyền
dẫn khá cao lên tới hàng GBit/s và đi xa tới hàng trăm km. Linh kiện thu phát
quang sử dụng loại bán dẫn liên kết 4.
Tại vị trí đổi chiều, ống đệm sẽ nằm song song với trục của cáp và vị trí của
ống sau khi bện sẽ được cố định nhờ 2 dây bao quanh quấn theo 2 chiều ngược
nhau.
1.2.9- Nhận xét thông tin cáp sợi quang
Kỹ thuật thông tin quang phát triển với 1 nhịp độ nhanh chóng, nhờ những tiến
bộ về mặt kỹ thuật công nghệ hiện đại, kỹ thuật truyền dẫn thu trực tiếp hiện nay
mới chỉ là bước phát triển đầu tiên trong lĩnh vực mới này.
Mục đích xây dựng các mạng thông tin số đa dịch vụ ISDN và tiến đến xây
dựng các mạng thông tin dịch vụ băng rộng IBCN (Intergrated Broadband
Communications Network) đã thúc đẩy các tổ hợp khoa học - công nghiệp nghiên
cứu phát triển các lĩnh vực ứng dụng mới của thông tin quang cũng như tạo ra các
hệ thống truyền dẫn cực lớn và có khả năng khoảng cách rất xa, các thông báo kết
quả thực nghiệm gần đây cho thấy ở các nước tiên tiến đã tập trung theo hướng
phát triển mạng thông tin quang, trong đó cú cỏc hướng cơ bản sau:
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
- Các hệ thống truyền dẫn tốc độ lớn.
- Các hệ thống chuyển mạch quang.
- Các mạch quang thích hợp.
- Các bộ khuếch đại quang.
- Các linh kiện thu, phát và làm việc trền các hệ thống truyền dẫn quang
phi tuyến, trong đó có truyền siliton.
* Về hệ thống truyền dẫn đã có nhiều hệ thống truyền dẫn tốc độ hàng GBit/s
sử dụng Laser và Diot thu quang tích hợp có độ ổn định cao. Sử dụng kết hợp các
nguyên lý phõn kờnh, ghộp kờnh người ta đó ghộp nhiều luồng lớn trên 1 hệ thống
và nhất là ứng dụng các bộ khuếch đại quang, đã vượt qua được khoảng cách hàng

trăm km, đạt tích số độ rộng băng truyền khoảng cách lặp tới 1000Gbit/s.km
* Trên miền thuê bao đã tổ chức các hệ thống truyền dẫn dải rộng, ghộp kờnh
theo phổ, đưa thông tin điện sang thông tin quang thuần tuý.
* Trong lĩnh vực chuyển mạch quang đã ứng dụng nhiều nguyên lý phõn kờnh,
theo không gian, thời gian phổ và thử nghiệm chuyển mạch photon là chuyển mạch
quang thuần tuý.
* Việc nghiên cứu tìm ra vật liệu sợi quang với công tác bước sóng hồng ngoại
giữa có tiêu hao rất nhỏ cho phép các hệ thống truyền dẫn trong tương lai vượt qua
khoảng cách bất kỳ mà không cần trạm lặp.
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ
thống thông tin cáp sợi quang
Chương II
Kỹ thuật đo lường các thông số của
CÁP QUANG
2.1- Mục đích và yêu cầu
Trong kỹ thuật thông tin nói chung, thông tin quang nói riêng vấn đề đo lường
để đo lường và xác định các thông số đã được nghiên cứu cũng như các thông số
phục vụ cho việc nghiệm thu các công trình thông tin mới được xây dựng. Trước
khi được đưa vào khai thác và các hệ thống thông tin đang được khai thác cú cũn
đảm bảo chất lượng theo các chỉ tiêu đã được quy định là việc rất quan trọng. Các
đại lượng cần đo thử là công suất, độ rộng băng tần truyền dẫn, tỉ số lỗi bit … ta có
thể tách ra hai loại đo thứ như sau.
* Đo thử áp dụng trong phòng thí nghiệm và nới chế tạo.
* Đo thử áp dụng trờn cỏc hệ thống thông tin đang xây lắp hoặc đang vận hành
khai thác.
Đối với sợi dẫn quang việc đo thứ là một vấn đề mới, nên một số thông số của
phương pháp đo có thể đáp ứng tiếp cận được nhờ vào phương pháp quang hình.
Song do đặc tính sóng của ánh sáng nên có nhiều kết quả đo không thể giải thích
được, dễ gây sai sót khi đo.