tìm hiểu bộ biến đổi quang điện

bộ biến đổi quang điện
Chương1: KHáI QUáT Về THÔNG TIN QUANG
I. Khái quát
Do sự phát triển của hệ thống truyền dẫn, đòi hỏi tổ chức các luồng kênh
cực lớn. Với kỹ thuật thông tin quang người ta cũng có thể tạo ra các hệ thống
truyền dẫn nhiều kênh hơn các hệ thống điện. Hiện nay các hệ thống truyền
dẫn từ chục Mb tới vài Gb/s.
Trước tiên sử dụng các khoá điện tử, rồi sau đó đến các hệ thống chuyển
mạch photon “dùng ánh sáng để chuyển mạch”. Khi đó mạng thuê bao đã
chuyển sang dùng cáp quang và mạng là thông tin thuần túy. Hiện nay thông
tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Nó được ứng dụng để hoạt
động song song với các hệ thống truyền dẫn và truyền dẫn thông tin điện bằng
tải tin quang nhờ các quá trình chuyển đổi điện quang và quang điện ở bên
thu và bên phát.
II. Hệ thống truyền dẫn quang
Error: Reference source not found Các thành phần chính của tuyến 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.
Cáp sợi quang gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo
vệ khỏi tác động môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng
quang và các mạch khuyếch đại, tái tạo tín hiệu thành phần. Ngoài các thành
phần chủ yếu này còn có các mối hàn bộ nối quang, chia quang và các trạm
lặp. Tất cả tạo thành tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.


III. Phạm vi ứng dụng của kĩ thuật truyền dẫn quang
Ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực đời sống. Trong lĩnh vực thông tin, các hệ thống truyền dẫn quang được
ứng dụng vào các hên thống trung kế giữa các hệ thống tổng đài điện thoại và
các tuyến truyền dẫn đường trục có dung lượng lớnvà cự li xa. Trong mạng
digital dịch vụ tổng hợp, sợi quang còn được sử dụng vào miền thuê bao để

cho phép truyền dẫncác loại thông tin khác nhau: tiếng nói, hình ảnh, số
liệu…. Trong mạng truyền hình cáp, sợi được sử dụng có hiệu quả, thay thế
cho việc truyền dẫn qua không gian bằng sóng vô tuyến. Ngoài ra sóng còn
được sử dụng trong các hệ thống cự li rất ngắn để truyền cac số liệu đo
lường , điều khiển, số liệu giữa các thiết bị tính toán hoặc các thông tin văn
phòng trong phạm vi mạng LAN.








 
!
"#
$%

&'(
()*+
,+ 
&'
&'
!
#/)0
!
#
TuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang
Hệ thống truyền dẫn quang xếp thành 2 loại theo phạm vi ứng

dụng: hệ thống thông tin đường dài và hệ thống thông tin cù li ngắn.
Hệ thống truyền dẫn gồm : cáp quang, linh kiện phát quang ở đầu phát
và linh kiện thu quang ở đầu thu, các bộ nối, các chỗ hàn nốivà linh kiện thụ
động. Chúng quyết định giá thành của hệ thống. Với hệ thống đường dài,
tuyến cáp quang qm nhiều đoạn cáp hàn nối với nhau, nhiều trạm lặp nằm
cách nhau 1 khoảng lặp. Vì cáp quang cần khối lượng lớn nhưng nó là phần tử
quyết định giá cả. Để tăng khoảng lặp dùng cáp có tiêu hao nhỏ, phần tử phát
có công suất lớn. Vì vậy sợi quang đơn mốt được ưu tiên sử dụng, kèm theo
đó là cáac bộ hàn bộ nối đắt tiền. Điot LED Ýt được sử dụng vì công suất
nhỏ, mà LD được sử dụng nhiều hơn. Điot thu cũng được lưu ý chọn có độ
nhạy cao, chẳng hạn APD hoặc PIN-FET.
Với hệ thống cự li ngắn thì cáp không có vai trò quyết định, mà ngược
lại là các bộ nối và linh kiện thu, phát quang. Có thể sử dụng sợi quang đường
kính lớn  sọi đa mốt SI và GI. Công suất phát quang cũng không cần lớn,
nên có thể dùng LED. Tốc độ truyền dẫn cũng không lớn, nên diot thu cũng
không cần loại băng rộng và đọ nhạy cao, có thể dùng diot PIN.  vậy tuyến
truyền dẫn quang trong 2 trường hợp là có những chỉ tiêu tối ưu khác nhau.
IV. Các phương pháp ghép kênh
1. Ghép kênh tín hiệu điện PCM và tín hiệu quang theo thời gian
Hiện nay tồn tại 2 tiêu chuẩn truyền dẫn điều xung mã PCM. Đó là của
châu Âu 2,048Mb/s cho 30 kênh thoại tiêu chuẩn và của Mỹ-Nhật 1,544Mb/s
cho 24 kênh thoại tiêu chuẩn. Vì sợi quang có tiêu hao nhỏ và độ rộng băng
lớn nên có thể tăng số kênh đến 1,6 hoặc 2,2Gb/s mà không phải rút ngắn
khoảng lặp. Khi tăng tốc độ truyền dẫn PCM bằng các xung phát đi ngày càng
hẹp lại , đòi hỏi độ rộng băng truyền dẫn tăng lên rất lớn. Chỉ có sợi quang
với độ rộng băng truyền dẫn rộng mới có thể cho phép truyền dẫn tín hiệu
1
PCM tốc độ lớn hơn  thế. Từ khả năng ghép thời gian trên các hệ thống
truyền dẫn có thể ghép tín hiệu theo thời gian. Mỗi tín hiệu quang là chùm
PCM đã qua biến đổi điẹn quang. Nhờ đó tốc độ truyền dẫn tăng lên cao hơn.

2.Ghép kênh theo bước sóng
2
341 14532
67478
1674
149 341
224713 72473
124138 16432 935
4922
4528
63:
285:
63:
9735:
225:
285:
285:
5:
251:
37:
65:
7385:
2:
;32$<=*
15:
;2
;1
;2
;
;

;7
;2
;2
;2
;2
;2
84228


1
2
>?@

1
2


λ3
ABCDE
λ3
λ4
λ2
2
λ1
λ1
λ2
2
λ4
ABCDE
>?@


,F
:G?:H0<IJ*K
Trong phương pháp phân kênh theo thời gian cần sử dụng 2 sợi quang
cho hai hướng thu phát độc lập. Ngoài ra thực hiện thu phát kênh theo bước
sóng để thực hiện truyền dẫn 2 chiều theo cùng 1 sợi quang. Nhiều tín hiệu
PCM ghép theo thời gian sẽ được truyền dẫn cùng 1 sợi quang nhờ ghép vào
các bước sóng khác nhau nguyên tắc tổ chứcghép luồng hiển thị ở hình dưới.
Các thiết bị ghép và tách luồng MULDEX là các bộ lọc ánh sáng. Máy
phát P1, P2 phát xạ ánh sáng có bước sóng. Còn ở đầu kia máy
phát P3,P4 bức xạ ánh sáng bước sóng  Các tần số quang được các
bộ lọc ở 2 đầu đường dây tách ra. Tại trạm lặp tách riêng tín hiệu quang để tái
sinh sau đó ghép trở lại đi trên tuyến chung.
3. Phương pháp ghép luồng rẽ hướng
Hai luồng quang 1và 2 hòan tòan độc lập với bước sóng sử dụng và
phương pháp ghép kênh tín hiệu điện, được tách thành luồng quang đi và
luồng đến. Hai gương ở đầu thu G
1
, G
2
là loại thu một chiều . Một gương sẽ
cho luồng béc xạ phát của máy phát tại đó đi qua và một phần tổn thất ra
ngoài, không lọt vào điôt thu. Các gương làm nhiệm vụ tách luồng thu và phát
được trên cùng một sợi quang.
9










>

>



Nguyªn lÝ ghÐp t¸ch luång
Các phương pháp trên độc lập nhau, nên có thể kết hợp chung để sử
dụng, tăng hiệu suất cho sợi .
V. Phân loại các hệ thống truyền dẫn quang
1. Phân loại theo dạng tín hiệu điện
Tín hiệu đưa vào điều biến có thể là analog hoặc digital. Hệ thống analog
Ýt được chế tạo sử dụng, nhất là hệ thống băng tần tín hiệu rất rộng vì đặc
tính công tácphi tuyến của diot laser phát, của diot thu quang, ảnh hưởng của
tán xạ sợi quang
Các hệ thống thu quang dải rộng hiện nay truyền dẫn digital dưới dạng
ghép kênh PCM theo các cấp tiêu chuẩn.
2.Theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu biên
Theo phương pháp điều biến quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở
đầu thu nên phân ra các loại sau:
a. Hệ thống thu trực tiếp: Đầu phát thực hiện điều biến trực tiếp các diot
laser. Các tín hiệu điện điều biến vào cường độ bức xạ nguồn quang. ở đầu
thu tách tín hiệu điện trực tiếp trên diot quang từ công suất quang dưa vào.
Các phần tử của hệ thống làm việc ở chế độ dơn mốt "một tần số" mà vẫn
đẩm bảo khả năng truyền dẫn. Nhưng các hệ thống có tốc độ cực lớn thì bị
hạn chế về độ nhạy về độ rộng băng truyền dẫn và cự li khỏang lặp.

b. Hệ thống thu kết hợp: Phương pháp này điều biến gián tiếp nguồn quang ở
đầu phát. Luồng tín hiệu điện và luồng bức xạ quang dơn sắc đưa vào được
điều biến trong bộ điều biến quang.
Ở đầu thu cần nguồn quang đơn sắc, độc lập với nguồn quang ở đầu
phát. Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang được đưa vào bộ trọn là
diot quang cùng với nguồnquang đơn sắc của bộ phát quang nội để lấy ở đầu
3
ra một tần số trung gian, được đưa đến mạch tách sóng để tách ra tín hiệu điện
ban đầu.

Tín hiệu điều biến với nguồn quang có bước sóng 

tương ứng phần
bước sóng f1 điều biến tải tin có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha. Tại
đầu thu có bộ phát quang nội, phát xạ tia có bước sóng  tương ứng fo. Cả
f1, fo đưa vào bộ trộn là diot quang để lấy tần số trung gian /f1-fo/ chọn đủ
lớn cỡ 10GHz. Đủ để mang tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn.
Nhưng cũng không quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại củamạch khuếch
đại điện tử. Sau quá trình tách sóng và lọc sẽ thu được tín hiệu ban đầu.
So với phương pháp trực tiếp thì phương pháp này có độ nhạy cao hơn, tỉ số
tín hiện nhiễu S/N lớn hơn nên tăng cự li trạm lặp nên có thể truyền các tín
hiệu băng tần rất rộng. Hiện nó đang được sử dụng rộng rãi
3. Theo tốc độ và cự li truyền dẫn
Các hệ thống đường dài chủ yếu đươch sử dụng trên mạng điện bao gồm
các mạng két nối truyền dẫn giừa các vùng, mạng trung kế giữa các tổng đài,
mạng thuê bao của mạng dịch vụ tổng hợp và các mạng phân phối truyền
hình. Hiện nay có thể phân phối thành các loại:
7

λ


L


λ
5
L
5
"M'
Nguyªn lÝ thu kÕt hîp
Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ, tốc độ truyền dẫn8 Mb/s hoặc
dung lượng trung bình với tốc độ34Mb/s sử dụng trên mạng thuê bao ISDN
và mạng trung kế giữa các tổng đài, cự li truyền đẫn khỏang 1km trong thành
phố hoặc 20_30km ở vùng nông thôn , không có trạm lặp.
Các hệ thống liên tỉnh với dung lượng rất lớn và tốc độ truyền dẫn
140Mb/s trở lên, cự li truyền dẫn rất xa. Hệ thống gồm các trạm đầu cuốivà
các trạm lặp với cự li khỏang lặp lớn hơn 50km cho đến hàng trăm km.
Đặc biệt các hệ thống cáp quang quốc tế dưới biển hiện nay đều được thiết kế
với tốc độ 280,420,565,1200 và 2400Mb/s với cự li khỏang lặp từ40
>400km.
VI. Các thế hệ phát triển của hệ thống truyền dẫn quang
1. Thế hệ thứ nhất
Bắt đầu từ những năm 1970. Sợi sử dung chủ yếu là loại SI hoặc GI,
bước sóng ngắn 0,85mm. Linh kiện pháp là LD hoặc LED. Linh kiện thu là
diot quang Si. Vì có ảnh hưởng của tán xạ vật liệu và tán xạ mốt. Nên tích số
độ rộng băng (B) và độ dài khỏang lặp (L) nhá. BL=400 >1200MHz. Tán xạ
và tiêu hao của sợi quang lớn nên hạn chế tốc độ truyền và cự li khỏang lặp.
Hệ thống có dung lượng nhỏ và trung bình, chủ yếu sử dụng trong mạng trung
kế và tổng đài.
2.Thế hệ thứ hai

Nhờ tiến bộ của công nghệ sợi quang chuyeern sang sử dung bước sóng
dài 1,3mm. Sợi loại đa mốt GI, linh kiện phát là LD,LED loại InGaAsP. Linh
kiện thu là APD Hoặc PIN nhóm III-IV hoặc tổ hợp PIN-GaAsMESFET.
Không còn tán xạ vật liệu, còn tán xạ mốt, tích số BL tăng lên. Tốc độ truyền
trung bình 34Mb/s cù li trung bình 3km.
8
3. Thế hệ thứ ba
Sử dụng sợi đơn mốt SM, bước sóng dài 1,3m.Không còn tán xạ mốt
và vật liệu. Tán xạ tổng cộng rất bé. Hệ thống dùng cho đường trục với dung
lượng lớn, tốc độ truyền dẫn cao và vượt cự li xa.
Thực tế độ dài khỏang lặp L tỉ lệ nghịch với tán xạ trung bình và độ rộng
phổ bức xạ, do đó muốn tăng L thì giảm tán xạ của sợi quang hoặc gỏam độ
rộng phổ bức xạ.
Nếu sử dụng LD cộng hưởng Fabry-Perot thông thường (FP-LD) đạt cự
li 50-60km cho hệ thống 140MB/s ở bứoc sóng 1,3mm
Nếu tốc độ cao 400MB/s và 565MB/s để cự li 50km. Khi dùng FP-LD
thì phải chọn và điều khiển cáp có tán xạ nhỏ và độ rộng phổ nhỏ, cáp được
lắp đặt tốt.
Với tốc độ cao 1GB/s, muốn đạt 59km thì chọn nguồn bức xạ có độ rộng
phổ nhỏ. Loại FP_LD có vạch phổ rộng làm giảm L do tán xạ tăng, gây ra tạp
âm phân bố mốt. Thế hệ này được sử dụng rộng rãi trên thế giới.
4. Thế hệ thứ tư
Tăng tốc độ truyền dẫn, cự li khỏang lặp lớn thì phải:
Giảm tổn hao sợi quang đồng thời có tán xạ nhỏ. Sợi quang đơn mốt có tán
xạ dịch chuyển DS-SM được sử dụng.
Sử dông diot laser phát tin cậy, có độ rộng phổ bức xạ bé, đơn mốt. Các
diot laser BH-LD và DFB-LD được chọn.
Chọn diot thu quang có độ nhạy cao. Loại APD cấu tạo gồm nhiều lớp
InGaAsP có tạp âm nội và dòng tối nhỏ. Loại PIN có tạp âm nhỏ dùng với
GaAs-MESFET làm bộ tiền khuếch đại có trở kháng vào cao và điện dung kÝ

sinh nhá. Cho phép tăng đọ nhạy thu.
6
5. Xu thế phát triển của hệ thống truyền dẫn quang tương lai
- Sử dụng kĩ thuật phân kênh theo bứoc sóng WDM sử dụng khi nhu cầu
truyền dẫn tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có. Mỗi kênh quang
cần có bộ lặp trung gian riêng. Ghép nhiều kênh quang với tốc độ bít của mỗi
kênh rất lớn.
- Sử dụng kĩ thuật ghép kênh tần số quang FDM kết hợp thu Coherent,
nhờ đạt mật độ kênh rất cao. Trong tương lai phương pháp Coherent đóng vai
trò chủ yếu vì tăng độ nhạyh máy thu quang lên 17dB. Cù li khỏang lặp kéo
dài đáng kể .
Truyền dẫn 46bit qua khỏang lặp 155km
Truyền dẫn 36bit/s và 400Mbit/s vượt khỏang lặp 300km. Khó khăn là
chế tạo diot leser bức xạ ánh sáng kết hợp chất lương cao.
- Phát triển các loại sợi quang trên vật liệu mới Flor(F) thay SiO
2
, đạt giá
trị tiêu hao bé, cự li khỏang lặp hàng ngàn km.
- Phát triển vi mạch quang. Tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Sử
dụng cách thức mới sử dụng tín hiệu điện, quang để xử lí ánh sáng
VII. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang
Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại. Đường kính mẫu của sợi quang
là 0,1mm nhỏ hơn nhiều cáp đồng trục có đường kính là 10mm.
Do nhỏ và nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí chế tạo Ýt, lại được lắp đặt dễ
dàng ngay cả bằng tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng cường được
nhiều kênh truyền mà tăng đường kính Ýt.
Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh
hưởng của nước, axit, kiềm v.v nên không sợ bị ăn mòn nếu lớp ngoài bảo vệ
có hư hỏng thì bên trong sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn hoạt động được .
5

Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện không sợ bị chập
mạch.
Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ bị ảnh hưởng của điện từ bên
ngoài. Nên có thể sử dụng ở những nơi có nhiễu điện từ trường mạnh  là
trong nhà máy, nhà máy điện …
Vì nhẹ và không ảnh hưởng của điện từ nên được dùng trong máy bay,
tàu thuỷ, trong công nghiệp truyền số liệu.
Vì không gây nhiễu ra bên ngoài và không gây xuyên âm giữa các sợi
quang nên bảo đảm không bị nghe trém.
Vì là sợi điện môi nên đầu vào và ra cách điện nhau không có mạch
vòng chạy qua đất.
Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Tiêu hao nhá trong
dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng truy nhập tốc độ lớn hơn cáp
kim loại khi có cùng chi phí xây dựng.
Vì tiêu hao nhỏ nên cho phép khoảng lặp lớn.
VIII. Nhược điểm
Truyền dẫn quang đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn và tốn kém. Nước ta là
nước đang pháp triển nên vấn đề này gặp nhiều khó khăn.
Lắp đặt giữa các sợi quang đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thì đắt tiền



Chương 2: Sợi quang
I. Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng, cấu tạo và phân loại
1. Nguyên lí
Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách
giữa hai môi trừơng. Khi nó đi từ môi trường chiết suất cao hơn sang môi
trường chiết suất thấp hơn để truyền ánh sáng trong sợi quang
2.Cấu tạo
D0NOHLHHH*0H0L0-

Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n, bán kính là a, đương kính
là dk. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết suất n
2
< n
1
có đường kính là d
m
Độ lệch chiết suất tuyệt đối n = n
1
– n
2

Độ lệch chiết suất tương đối n/n
1
Hai tham số này đặc trưng cho khả năng truyền dẫn của sợi quang.
Những đường kính thông dụng của sợi quang
Lõi từ 8 – 10 / 125 m: là sợi đơn mốt nó truyền thông tin với tốc độ cao
nhất và suy hao thấp nhất. Nó được sử dụng cho những khoảng cách lớn hoặc

-
-
1
trong truyền số liệu tốc độ cao. Do lõi nhỏ nên đòi hỏi độ chính xác mối hàn
cao.
Lõi 50/125 m: loại này sử dụng rộng rãi. Do góc mở ( n
A
) thấp và kích
thước lõi nhỏ nên chỉ cần lượng ánh sáng tối thiểu cho một sợi đa mốt. Trong
tất cả các loại sợi đa mốt thì loại này có băng thông rộng nhất.

Lõi 62,5/125 m: Loại này băng thông Ýt hơn loại 50/125 m nhưng
lại Ýt nhạy cảm với uốn cong. Góc mở (n
A
) cao hơn đường kính lõi nên làm
cho loại này có công suất ghép nối ánh sáng tốt hơn một Ýt loại 50/125 m.
Loại 80/125 m có khả năng kết nối ánh sáng tốt.
Lõi 100/140 m : đường kính lõi lớn làm cho loại này rễ kết nối nhất
nhưng lại Ýt nhậy cảm với độ chính xác. Nó tập trung được hầu hết ánh sáng
từ nguồn nhưng lại có băng thông hẹp so với các loại trên. Nó được sử dụng ở
những khoảng cách độ dài trung bình tốc độ thấp. Loại này Ýt thông dụng
Bảng phân loại các loại sợi
Lõi (m) N
A
Tổn hao Băng thông Bước sóng
8 – 10 Nhỏ nhất Thấp nhất Cao nhất 1310 – 1550
50 Nhỏ hơn Thấp hơn Cao hơn 850 – 1310
62,5 Trung bình Thấp Thấp 850 – 1310
85 Lớn Cao Thấp hơn 850 – 1310
100 Lớn nhát Cao nhất Thấp nhất 850 – 1310
3. Phân loại sợi quang
Theo cấu tạo : theo kích thước ruột và vỏ, theo vật liệu sử dụng và theo
sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi.
Theo đặc tính truyền dẫn: theo sợi đơn mốt, đa mốt.
Phân loại theo đa mốt, đơn mốt
2
Đặc điểm của sợi đa mốt là truyền dẫn đồng thời nhiều mốt, còn sợi đơn
mốt thì truyền duy nhất một mốt. Sợi đa mốt có đường kính ruột dk khá lớn,
còn sợi đơn mốt thì nhỏ hơn. Trong sợi đa mốt có nhiều tia sáng được truyền
dẫn theo các đường khác nhau. Còn sợi đơn mốt thì chạy song song với trục
của sợi .

Theo sự biên thiên của chiết suất trong ruột sợi. Người ta chia ra chiết
suất bậc SI (Step Index) và chiết suất biến thiên đều GI ( Graded Index).
Trong sợi SI chiết suất ruột n
1
không thay đổi và vì n
1
> n
2
nên tại mặt phân
cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy. Trong sợi GI có chiết suất n
1
của ruột
đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần đến mặt phân cách vỏ ruột thì
bằng giá giá trị n
2
của vỏ, sợi đơn mốt đực chế tạo từ sợi GI. Ta tạm chia làm
3 loại
Sợi đa mốt chiết suất SI – MM ( Multi Modes)
Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI – MM
Sợi đơn mốt SI – SM (Single mode)
Error: Reference source not found
D0NOHLHHH*0H0L0-
Sự biến thiên chiết suất của sợi biểu thị qua công thức:
n(r) = n
1
. cho |r| ≤ a
n(r) = n
2
cho |r| > a
Khi g nhỏ thì công thức trên là sợi là sợi GI > Nhưng khi g -> oo thì

n(r)là sợi SI.
Thực tế với g≥ 10 coi là sợi SI trong thông tin đường dài g =2. Đặc
tuyến truyền tốt 1≤ g ≤3.






E/)0 E
,+,P
9
Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều chế tạo từ thuỷ tinh thạch
anh có chiết suất n= = 1,5.
Với r là hằng só điện môi tương đối của vật liệu .Thực tế chiét suất
còn thay đổi theo bước sóng công tác.
Error: Reference source not found
Muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột vỏ từ cùng thuỷ tinh thạch anh ,
ta cho thêm hoạt chất vào
Cho GeO
2
làm tăng chiết suất .
Cho Flurit(F) làm giảm chiết suất .
II. Các đặc tính và tham số của sợi quang
1. Sù lan truyền ánh sáng trong sợi quang
Trong sợi đa mốt :
Trong sợi SI_MM
Xét hình bỏ dọc trục sợi
Error: Reference source not found
Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang, phải di qua môi trương

không khí , có chiết suất n
k
=1 rồi đi vào môi trường sợi có n
1
>n
k
. Khi vào các
tia bị khúc xạ ,chùm ánh sáng vào là chùm các vô số các góc tới khác nhau.
Để các tai này lan truyền được thì mặt phân cách thoả mãn diều kiện phản xạ
toàn phần góc tới hạn sin
T
=n
2
/n
1
. Các tia muốn lan truyền được thì góc tới





và góc nghiêng: 0≤ 
A
≤
A
max
ở sợi GI dùng thuỷ tinh thạnh anh thì n/n
1
0.0010,003 . Do vậy góc
ngiêng 

A
max=8
o
14
o

<Q;

λ/µ
3
Kết quả tính toán cho giá trị 
max
=arcsinn
1
.=arcsin
với =(n
1
2
-n
2
2
)/2n
1
2
.
Muốn các tia được truyền dẫn còn phản xạ trên mặt phân cách vỏ ruột
thì các tia đưa vào sợi phải nằm trên hình nón với các tia nửa góc mở là
max ở đầu cuối dây.
Để đặc trưng cho khả năng cho khả năng ghép nguồn bức xạ quang vào
sợi . Đại lượng đặc trưng cho sợi là độ mở ( hay khẩu độ số ): N =sinmax.

Khi N tăng thì max tăng.
Các tia khi phản xạ đều đi qua trục sợi là tia kinh tuyến, còn các tia mà
phản xạ mà không đi qua trục sợi , khi phản xạ nhiều lần có xu hướng đến gần
một hình tròn tới hạn mà nằm trên một mặt phẳng như tia kinh tuyến gọi là tia
nghiêng.
Các tia chạy với đường dích dắc khác nhau. Đến cuối sợi với quãng
đường khác nhau nhưng vận tốc là không đổi v=c/n
1
=const. Khi chiết suất
ruột biến thiên, nên vận tốc trong ruột cũng biến thiên theo bán kính r :
v=c/n
1
(r)=v(r).
ở sợi GI tia chạy theo dạng hình sóng, với chu kì vài khoảng vài
milimet.
Error: Reference source not found
Tia 1: là tia dọc trục .
Tia 2: là tia không đến mặt giới hạn vỏ ruột
Tia 3: là tia vừa đạt đến mặt giới hạn vỏ ruột
Muốn tia sáng không tiếp xúc với mặt phân cách vỏ ruột thì phụ thuộc
vào tia sáng đưa vào sợi và độ mở sợi().

1



7
Các tia dọc trục có đường đi ngắn nhất nhưng vận tốc là nhỏ nhất, vì
n(r)=n
o

=max. Các tia khác có đường đi dài hơn nhưng tốc độ lớn hơn. Nên
trong sợi SI có sự bù trừ cho nhau về thời gian, và sự trênh lệch thời gian
trong sợi GI < trong sợi SI. Chiết suất biến thiên theo hàm gần parabol
Sợi SI có nhược điểm là ánh sáng đưa vào mặt cách của sợi trên mộ mặt
cách nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ nhọn hơn
Trong sợi đơn mốt
các tia không thể lan truyền dưới các góc bất kì mà chỉ lan truyền theo
các hướng nào đó để các tia thành phần không triệt tiêu nhau .
Số mốt được lan truyền phụ thuộc vào tỉ số của đường kính sợi và bước
sóng công tác .Tham số công tác d
k
n
1/
/.
Để đạt được chế độ đơn mốt thì  phải nhỏ hơn giá trị tới hạn 
G
(chiết suất bậc thông dụng) 
G
=2,405.
Với sợi SI : M=
2
/4
Với sợi GI :M=v
2
.g/2(g+2)
2.Sù lan truyền các mốt trong sợi quang
Mốt là trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình
sóng của Măcwel và điều kiện bờ là từ sợi quang
Khi lan truyền thì năng lượng tập trung trong ruột sợi , còn phần năng
lượng rò ra vỏ tạo ra các mốt rò và mốt vỏ thì bị dập tắt ngay . Ta chỉ chú đến

mốt lan truyền trong ruột sợi.
Các mốt lan truyền có đặc tính sau:
Mỗi mốt có sự phân bố năng lượng điện trường riêng trên mặt của sợi
và không dổi dọc theo trục của sợi trong khi lan truyền.
Các mốt hoàn toàn độc lập nhau.
8
Mỗi mốt có tốc độ lan truyên riêng.
Mỗi mốt chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng thoả
mãn điều kiện 
G
. Trong chế tạo , có những chỗ không đồng nhất gây
ra sù thay đổi chiết suất n
1
của ruột sợi. ảnh hưởng đến điều kiện lan truyền
của các sóng ánh sáng. Khi lan truyền thì các mốt không còn độc lập với nhau
nữa mà giữa chúng có sự trao đổi năng lượng qua lại, gọi là trộn mốt. Hiện
tượng này có lợi khi lan truyền các sợi đa mốt ở cự li dài, một số mốt mất đi.
Giảm ảnh hưởng tán xạ của đa mốt.
 vậy với mỗi sợi quang chỉ xác định được một ngưỡng 
G2
để bên
trên nó chỉ tồn tại mọt mốt lan truyên.
III. Suy hao
Suy hao trên sợi dẫn quang có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ
thống là tham số xác định khoảng casxh giữa phía thu và bên phát .
Suy hao sợi hay suy hao tín hiệu bằng công suất đầu ra, vào và chiều dài L là
=10.log(P
vào
/P
ra

)/L.
1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
a. Do tạp chất : trong thuỷ tinh có tạp chất làm tăng đặc tính suy hao: nước,
coban, ion sắt,…Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20dB/km thì sự có mặt của
nước Ýt hơn nài phần tỉ. Có thể đạt được nhờ chế tạo từ phương pháp MCVD.
Vời mức tạp chất này làm cho đường cing suy hao sẽ trơn hơn tại các đỉnh và
khe suy hao.
Error: Reference source not found
b. Hấp thụ vật liệu: ở bước sóng dài sẽ cho suy hao nhỏ hơn. Nhưng các liên
kết nguyên tử lại kiên quan đến vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài,
gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của liên kết hấp thụ nằm
,0
A(0-0R
SRT/U
&IJ
*K
SRT
V
;
OH
6
ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng đuôi hấp thụ vẫn ảnh hưởng và kéo dài
đến bước sóng1550nm. ở vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể .
c. Hấp thụ điện tử : Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon
kích thích các diện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn.
Lúc này bờ cực tím của dải hấp thụ điện tử của hai vật liệu không kết tinh và
kết tinh có quan hệ =c.e
E/Eo
.
Với C,Eo là hằng số rót ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon

Dặc tuyến đi xuống theo hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng.
2. Suy hao do tán xạ
Là do tính không đồng đều rất ngỏ của sợi quang gây ra. Suy hao này
làm giảm1/4 công suất bước sóng. Suy hao tá xạ tại bước sóng
:=8
3
(n
2
-1)
2
k
B
.T
F
.
T
/3
4
.
Với n: chiết suất, k
B
: hăng số bonzoman, 
T
: hệ số nén đẳng nhiệt của vật
liệu, T
F
: nhiệt độ hư cấu
3. Suy hao do uốn cong sợi
Là suy hao ngoài bản chất của sợi , khi bất kì sợi dẫn quang nào cũng bị
uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định. Thì sẽ bị phát xạ tín

hiệu ra bên ngoài vỏ của sợi, nên ánh sáng lantruyền sẽ bị suy hao. Có hai loại
uốn cong.
Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong tương đối lớn hoặc lớn
hơn đường kính sợi .
Vi uốn cong: là sợi uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, nó hay xảy ra
trong lúc bọc thành cáp.
Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể xảy ra khi góc tới lớn hơn góc
tới hạn ở các vị trí bị uốn cong.
5
Error: Reference source not found
Nếu sợi bị uốn cong Ýt, giá trị suy hao xảy ra là Ýt và khó có thể thấy
được .
Một dạng khác của suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là suy hao do
uốn cong ngẫu nhiên gây ra. Vi uốn cong là sự dao động trong phạm vi nhỏ
của trục sợi, chúng nẩy sinh khi không đồng đều trong chế tạo sợi cũng  khi
có áp lực bên trong đều trong lúc bọc cáp.
Để giảm vi uốn cong là bọc một lớp vỏ có khả năng chịu nén cho sợi, khi có
lực bên ngoài tác động vào. Với sợi đa mốt có bán kính lõi a, vỏ là b, chênh
lệch chiết suất là  thì suy hao do uốn cong 
m
=[1+
2
.(b/a)
4
.Ef/Ej]
-2
.
Với Ef, Ej là các modul Young của vỏ bảo vệ và sợi.
Error: Reference source not found
Uốn cong và vi uốn cong đều có thể gây suy hao. Giá trị suy hao tuỳ thuộc

vào bán kính uốn cong của sợi, bán kính càng nhỏ thì suy hao càng lớn.
IV. Tán xạ trong sợi quang
1. hiện tượng và nguyên nhân ảnh hưởng
Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn
rộng xung ánh sáng ở đầu thu và các xung lân cận có thể đè lên nhau. Khi đó
không phân biệt dduwowcjcasc xung với nhau, gây méo tín hiệu khi tái sinh.
Hiện tượng dãn xung gọi là tán xạ.
Nguyên nhân là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian
chạy khác nhau do các thành phần ánh sánh phát đi đồng thời.
Tán xạ ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.
WXY;
W(0
WXY;
Z

khi truyền dẫn tín hiệu số miền thời gian nó gây ra có sự dãn rộng các xung
ánh sáng.
khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ và có
hiện tượng dịch pha . Độ rộng băng truyền dẫn bị giới hạn.
2. Phân loại tán xạ
Tán xạ vật liệu.
Tán xạ mốt, còn gọi là tán xạ đa mốt.
Tán xạ mặt cắt .
Tán xạ sợi dẫn quang.
3. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tóc độ truyền
dẫn bit.
Xét truyền dẫn tín hiệu số. Coi xung phát có độ rộng 
S
, xung thu có độ
rộng 

E
. Khi đó khi thu về xung bị dãn rông do tán xạ với độ dãn rộng(thời
gian) là : được tính theo công thức = .
Trường hợp xung phát hẹp 
S
<<
E
. Coi gần đúng = 
E
.
Độ dãn xung thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu do sợi gây ra vì nó ảnh
hưởng đến độ rộnh băng truyền dẫn và tốc độ truyền bit.
Hàm truyền đạt biên độ là H(f)=P
n
(f)/P
n(f=o)
=e
3,5ff
.
P
n
(f): là công suất xoay chiều ở tần số f .
Thực tế có nhiều loại tán xạ cùng tác động, cũng gây méo qua các xung
thành phần 
1
,

thì tán xạ tổng cộng là 
2
=

1
2
+
2
2
+
3
2
+…
Và độ rộng băng truyền là B
1
, B
2
,…thì 1/B
2
= 1/B
1
2
+ 1/B
2
2
+…
Error: Reference source not found
&L&
L
S[L\
Hµm truyÒn ®¹t biªn ®é cña sîi quang

Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu váo của máy thu bị dãn rộng,
nhưng hai xung kề nhau thì phân biệt được. Khi dó tốc độ bit là

c=1/(s)=2,26B.
 vậy độ rộng xung , độ rộng băng truyền dẫn B và tốc độ C có quan
hệ với nhau. Thực tế tốc độ truyền bit lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng
băng tần truyền dẫn. Muốn sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit lới thì
phải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung bé
nhất.
4. Hiện tượng tán xạ vật liệu
Nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng duy nhất một bước sóng 
o
thì không có hiện tượng lệch thời gian truyền dẫn giữa các xung thành phần
của xung ánh sáng. Thế nhưng các nguồn phát quang : LED, diot Laser không
phải chỉ bức xạ một vạch phổ ứng với bước sóng 
o
mà bước sóng một dải 
giảm quanh bước sóng 
o
ở mức 0,5  hình vẽ .
Error: Reference source not found

Giá trị độ rộng phổ tương đối 
0
, của diot phát là :
/

(LED)=0,05 và 

(LD)=0,01.
Vận tóc pha của mỗi bước sóng trong dải phổ  sẽ biến đổi theo bước
sóng : V
ph

=V
ph
()= c/n
1
().
Vận tốc truyền nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm n
n
(:
V
n
(

)=c/n
n
(

) và V
n
(

c/n
n
(với n
n_
(
n(dn
1
(d.

549

B=
BC
BDC
 <Q;]BC/)
BDC
∆λ
∆λ
λο
λ
 ]<Q;BDC/)BC^
1
Hệ số tán xạ vật liệu là M= M() cho biết dộ lệch thời gian khi lan
truyền xung ánh sáng trên độ dài 1km sợi quang với phổ bức xạ của nguồn
phát quang rông 1nm.
Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào của máy thu chính là độ lệch thời gian
truyền nhóm và có: M(L=
’
.L (
’
: độ dãn xung khi lan
truyền qua 1nm).
Độ dãn xung (tán xạ ) gây méo xung truyền dẫn, nó vừa hạn chế cự li
truyền vừa hạn chế độ rộng băng truyền dẫn. Ta đưa ra khái niệm tích số đọ
rộng băng với chiều dài truyền dẫn B
’
= B.L= L/2,26.
Hệ số tán xạ M phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi.
Error: Reference source not found

Với bước sóng 1,3m thì thuỷ tinh thạch anh có M=0, hay ở bước sóng

1,3m không có tán xạ vật liệu. Do đó mà cửa sổ truyền dẫn quanh bước
sóng 1,3 m thường dược chọn cho các hệ số truyền dẫn đường dài với dung
lượng lớn. Không có tán xạ vật liệu, không sợ ảnh hưởng đến độ rộng băng
truyền dẫn, chỉ chú Ý đến tiêu hao tín hiệu .
5. Hiện tượng tán xạ mốt
Chỉ xuất hiện ở sợi đa mốt. Các thành phần ánh sáng truyền là nhờ các
mốt riêng rẻ với thời gian khác nhau. Có sự trênh lệch thời gian sinh re méo
xung. Dạng xung đầu vào phụ thuộc vào 2 yếu tố :
Thành phần công suất từ nguồn phát quang ghép vào sợi
Sự phân bố các mốt truyền dẫn trên sợi quang .
,_
,_`9a0>H_

λ/µ
95
5
55
@95

42 43
HÖ sè t¸n x¹ vËt liÖu cña c¸c vËt liÖu
2
Coi sợi quang là lí tưởng, không gây ra trộn mốt với nhau, coi chiết suất
phụ thuộc vào bước sóng, thì sự trênh lệch thời gian giữa tia nhanh nhất và tia
chậm nhất là t=L.(n
1
-n
2
)/c.
Với sợi SI có n

1
-n
2
=0,012 thì xung ánh sáng tới đầu vào bị dãn rộng là
t/L=40ns/km.  vậy tán xạ mốt của sợi chiết suất bậc là lớn nhất.
ánh sáng trong sợi GI lan truyền treo các đường cong dạng sin. Thời gian lan
truyền các tia tương đối đều nhau hơn. Nếu g=2 thì thời gian lệch giữa tai
nhanh nhất và chậm nhất là t=L.(n
1
-n
2
)
2
/2c.
Nếu n
1
-n
2
=0,012 thì xung ánh sáng tới đầu thu bị tán xạ là t=
0,24ns/km<< so với đa mốt chiết suất bậc.
6. Hiện tượng tán xạ mặt cắt
Chiết xuất n
1
, n
2
của ruột và vỏ biến thiên bước sóng không cùng một
mức  nhau, nên giá trị cũng thay đổi theo bước sóng, gây ra hiện tượng tán
xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt, Đặc trưng cho tham số tán xạ P=
Từ ảnh hưởng phụ của tán xạ mặt cắt, ta thaasy rằng mỗi sợi quang có độ
rộng băng truyền dẫn lớn nhất tại một bước sóng cụ thể. Vậy mỗi loại sợi

quang đa mốt được chế tạo sẽ được tối ưu cho một vùng bước sóng công tác.
545

ζ
,
*


1
54

∆=0,01

5
b49
,cT'];(/)0*(d
%*R
9