đồ án kỹ thuật điện điện tử Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang va Các linh kiện biến đổi quang điện

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng vai trò rất
quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã
hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa
học kĩ thuật rất đa dạng và phong phó.
Trong lĩnh vực viễn thông nhờ các thành tựu của công nghệ bán dẫn
điện tử, công nghệ thông tin, những phát minh quang học, vi ba sè … đã tạo
nên bước nhảy vọt rất kỳ diệu. Dựa trên những thành quả đó, kĩ thuật thông
tin quang ra đời và phát triển rất nhanh chóng.
Thông tin quang với nhiều công nghệ khác nhau đã được phát triển,
đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo
nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian, chắc chắn trong
tương lai thông tin quang sẽ hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu
thông tin tự nhiên của con người.
Mục tiêu của bản báo cáo này là nghiên cứu những nguyên lý cơ bản
về thông tin quang. Báo cáo được bố cục theo nội dung sau:
Chương I : Cơ bản về hệ thống thông tin quang
Chương II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quang
Chương III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang
Chương IV : Các linh kiện biến đổi quang điện
Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, các thầy cô giáo đã
dạy dỗ trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ em hoàn thành bản báo cáo
này. tuy nhiên do thời gian, tài liệu cũng như khả năng còn hạn chế, bản báo
cáo này không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm, đóng góp
ý kiến của các thầy cô và các bạn.
Báo cáo thực tập

Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2006
Sinh viên thực hiện : Trần Quốc Hoàn
Chương I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
I. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là
một trong những phát minh lớn nhất thế kỷ XX. Trên cơ sở lý thuyết bức xạ
kích thích của Einstein và quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của
Fabricant (GS trường đại học năng lượng Matxcova_1940), Townes_nhà vật
lý Mỹ đã phát minh ra máy khuyếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích.
Tháng 2/1960, Maiman chế tạo ra laser Rubi-Laser đầu tiên trên thế giới.
Tháng 6/1960, Javan chế tạo ra laser khí He_Ne. Từ đó đã dấy lên một cao
trào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser. Đến nay, laser đã được chế tạo và
ứng dụng rộng rãi trong hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ và y tế.
Nhưng ứng dụng quan trọng nhất là thông tin cáp sợi quang.
Về lý thuyết, nguồn laser có khả năng truyền dẫn băng rộng cực lớn
(10 triệu kênh TV) nên trong đầu năm 1960, người ta đã thực hiện một số
các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) để
truyền tín hiệu. Kết quả thu được khá khả thi tuy nhiên các hệ thống thông
tin khí quyển có nhược điểm là chi phí rất cao cộng với môi trường không
khí không ổn định do chịu nhiều tác động của mưa, sương mù, tuyết,
Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi
quang vì chúng có thể tạo ra những kênh thông tin tin cậy và linh hoạt hơn
kênh không khí :
+ Ban đầu suy hao là vô cùng lớn (trên 1000dB/km)
SVTH : Trần Quốc Hoàn
2
Báo cáo thực tập
+ 1966 : Kao Hockman và Wertst phán đoán những giá trị suy hao lớn
này là do độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang
+ 1970 Kapron Keck và Maurer chế tạo ra sợi Silic có suy hao
20dB/km. Tại giá trị này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể
sánh với hệ thống cáp đồng. Do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào
thực tế kỹ thuật
+ Hai thập kỷ tiếp theo đã nghiên cứu và chế tạo ra được loại sợi có

suy hao 0,16dB/km tại bước sóng λ = 1550nm (giá trị lý thuyết là
0,14dB/km).
Những ứng dụng đầu tiên của hệ thống thông tin sợi quang chủ yếu là
các đường trung kế. Các tuyến số này gồm các kênh thoại 64Kbp được ghép
TDM theo các chuẩn PDH của Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật. Từ những năm
90 trở lại đây, các tuyến sợi quang theo tiêu chuẩn SDH đã dần thay thế các
tuyến PDH trên phạm vi rộng khắp. Ngoài ra sợi quang còn được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng nội hạt, ISDN với
nhiều loại sợi (đa mode và đơn mode) ở nhiều bước sóng
(850,1310,1550nm) trên nhiều khoảng cách (500m → n x 10km → n x
1000km) trong nhiều tuyến (cáp chôn, cáp treo, cáp quang biển).
SVTH : Trần Quốc Hoàn
3
0.1
1
10
100
1000
10000
Hiệu suất
hệ thống ( Gbps.km)

Năm
74 76 78 80 82 84 86 88 90
Sợi đa mode
850nm
Sợi đ¬n mode
1300nm
T¸ch sãng trực tiếp
sợi đơn mode1550nm

Hệ thống 5Gbps, 233km với
5 bộ KĐ quang
(2)
H×nh 1 : Sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang
Báo cáo thực tập
Trong tương lai, các hệ thống này còn sử dụng các mạng toàn quang bao
gồm các thành phần chuyển mạch, bộ lặp, khối truy nhập mạng trên cơ sở công
nghệ quang. Ngoài ra truyền dẫn soliton đang được nghiên cứu và phát triển.
II. Mô hình hệ thống.
Cấu trúc điển hình của một tuyến thông tin sợi quang được mô tả trên
hình 2. Các phần tử chính bao gồm : nguồn sáng, sợi quang và bộ tách sóng
quang (đi kèm là các mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu). Các
phần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối và đường dây) và các bộ tách ghép
(add/drop). Nói chung, tín hiệu điện (phát ra từ điện thoại, đầu cuối số liệu,
máy Fax, ) được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi
điện/quang (E/O). Khi đó, các mức tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu
quang tương ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện được biến đổi thành tắt/bật
của án sáng và đưa tín hiệu này vào sợi quang. Các tín hiệu truyền lan trong
sợi quang tới đầu thu, tại đây tín hiệu sẽ được biến đổi quang/điện (O/E),
khôi phục lại tín hiệu ở phía phát.
+ Bé E/O chính là các linh kiện phát sáng nh LED, LD
+ Bé O/E chính là các linh kiện thu ánh sáng nh phôtdiode
SVTH : Trần Quốc Hoàn
4
Mạch
điều
khiển
Nguồn
ph¸t
quang

Bộ
lặp
Thu
quang
Kh«i
phôc tÝn
hiÖu
E/O O/E
M¸y ph¸t
M¸y thu
Sợi
quang
TÝn
hiệu
điện
vµo
Tín
hiệu
điện
ra
H×nh 2 : CÊu tróc ®iÓn h×nh cña tuyÕn th«ng tin sîi quang
Báo cáo thực tập
+ Bộ lặp : biến đổi, tái tạo tín hiệu nhằm bù đắp sự suy hao trong quá
trình truyền dẫn
+ Bộ tách/ghép : tách/ghép tín hiêu đưa tới từ thiết bị khác.
III. Đặc điểm thông tin quang.
Hệ thống thông tin quang có một số ưu điểm so với các hệ thống sử
dụng cáp đồng cổ điển do sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu
quang, phát quang.
1). Đặc điểm chủ yếu của sợi cáp quang.

a/. Suy hao thấp : suy hao của cáp quang thấp hơn so với cáp song
hành kim loại hoặc cáp đồng trục
b/. Độ rộng băng : cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số
cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục, mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào sợi
cáp quang
SVTH : Trần Quốc Hoàn
5
Suy hao
dB/km
2
10 20 50 100 200 500 1000
Tần số (MHz)
Sợi quang đơn mode (10/125μm)
Sợi quang đa mode chiết suất
biến đổi (50/125μm)
C¸p song hµnh
(0,65 mmΦ)
C¸p kim loại
C¸p đồng trục
(2,695mmΦ)
C¸p sợi quang (bước sãng 1,3μm)
Sợi quang đa mode chiết suất bậc
H×nh 3: C¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn cña c¸p quang vµ c¸p kim lo¹i
Báo cáo thực tập
c/. Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ : cáp sợi quang nhỏ về kích
thước, nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng
đường kính với cáp kim loại có thể chứa một số lượng lớn lõi sợi quang hơn
số lượng lõi kim loại cùng cỡ. Các đặc điểm này của sợi có ưu điểm rất lớn
khi lắp đặt cáp.
d/. Đặc tính cách điện : bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp

sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài (cáp diện cao
thế, sóng vô tuyến và truyền hình) đặc tính này có một số ưu thế rất lớn
trong một số các ứng dụng cụ thể. Như vậy không cần thiết phải tách cáp
thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn
cho công nhân cũng như ổn định chất lượng thông tin.
e/. Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất
sợi quang. So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn.Hơn nữa,
một số lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất được một đoạn cáp quang dài.
2). Ưu điểm của các linh kiện thu phát quang.
+ Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín
hiệu tốc độ cao và băng rộng.
+ Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao.
+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có
khả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo
chất lượng truyền dẫn.
Trong hệ thống thông tin quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể
lên tới vài chục kilomet do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băng
rộng , linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao. Số
lượng trạm lặp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim
loại cổ điển, một vài tuyến điện thoại có thể liên lạc với nhau trực tiếp không
SVTH : Trần Quốc Hoàn
6
Báo cáo thực tập
thông qua bất cứ trạm lặp nào. Hệ thống thông tin sợi quang thực tế rất kinh
tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng.
Hơn nữa, truyền dẫn ghép kênh dung lượng lớn cho phép thực hiện
các dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn. Điều này sẽ làm
cho giá thành dịch vụ giảm thấp.
Chương II : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI DẪN QUANG
I. Cơ sở quang học.

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh
sáng. Chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để
hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao
động laser.
1). Phổ sóng điện từ.
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
nh sóng hạt tính chất sóng hạt nổi bật trong từng vùng. Người ta phân chia
các vùng của sóng điện từ theo các thông số nh sau:
+ Tần số : kí hiệu : f, đơn vị : Hz
+ Bước sóng : kí hiệu : λ, đơn vị : m
+ Năng lượng photon : kí hiệu : E, đơn vị : ev
Các thông số trên sử dụng rộng rãi trong từng vùng và chúng có thể
chuyển đổi theo các công thức sau :
C = λ.f
E = hf
SVTH : Trần Quốc Hoàn
7
Báo cáo thực tập
Trong đó : - C là vận tốc ánh sáng
- C = 300.000km/s = 3.10
8
m/s
- h là hằng số Planck, h = 6,625.10
– 34
Js
2). Các định luật của ánh sáng.
Ta đã biết ánh sáng truyền thẳng trong môi trường đồng nhất (chiết
suất không đổi), bị phản xạ hoặc khóc xạ tại biên ngăn cách giữa hai môi
trường có chiết suất khác nhau. Sự truyền thẳng, khóc xạ và phản xạ là ba
đặc điểm của ánh sáng.

Một đặc điểm quan trọng khác của ánh sáng là : vận tốc lan truyền
thay đổi theo chiết suất của môi trường mà ánh sáng lan truyền qua. Vận tốc
ánh sáng trong khong khí là c = 300.000 km/s (chính xác là 2,9979 x 10
8
m/s
với vận tốc này ánh sáng có thể đi 7,5 vùng quanh trái đất trong thời gian
một giây). Trong môi trường có chiết suất khóc xạ lớn thì vận tốc ánh sáng
là v
as
= c/n , trong môi trường không khí thì chiết suất khóc xạ bằng 1.
a/. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Các định luật về ba đặc tính cơ bản của ánh sáng có thể giải thích
bằng hiện tượng thực tế về vận tốc ánh sáng và một nguyên lý truyền ánh
sáng theo đường thẳng có thời gian ngắn nhất khi so sánh với rất nhiều
đường truyền khác nối giữa hai điểm (nguyên lý này gọi là nguyên lý
Fecma).
+ Phản xạ
Xét tia sáng AO đi tới mặt gương (hình 4)
Tại O, tia sáng bị phản xạ, tia phản xạ OB
Ta có : góc tới Φ
i
= góc phản xạ Φ
r

+ Khóc xạ
SVTH : Trần Quốc Hoàn
8
Φ
i
Φ

r
A
O
B
H×nh 4
A
Φ
1
Báo cáo thực tập
Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất
n
1
tới môi trường có chiết suất n
2
(hình 5)
Ta có định luật Snell :
n
1
. sinΦ
1
= n
2
. sinΦ
2

Hai công thức trên chính là định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng
b/. Hiện tượng phản xạ toàn phần.
Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n
1
tới môi trường có chiết

suất n
2
< n
1
(hình 6).
Khi đã, nếu ta tăng dần góc tới Φ
1
thì góc khúc xạ sẽ tiến dần tới 90
0

Φ
1
→ Φ
c
thì Φ
2
= 90
0

Φ
c
: được gọi là góc tới hạn
Tất cả các tia sáng có góc tới Φ
1
> Φ
c
thì các tia sáng sẽ không đi
được vào môi trường chiết suất n
2
nữa mà bị phản xạ tại mặt phân cách →

hiện tượng phản xạ toàn phần.
áp dụng định luật Snell ta có : sinΦ
c
=
1
2
n
n

Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản
xạ toàn phần.
3). Chiết suất của môi trường.
SVTH : Trần Quốc Hoàn
9
H×nh 5 B
n
1
n
2
O
Φ
2
A
Φ
1
Φ
c
o
Φ
2

(2)
n
1
> n
2
n
2
H×nh 6
Báo cáo thực tập
Chiết suất môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc
ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường Êy.
n = c/v
Trong đó n : là chiết suất của môi trường có đơn vị
c : là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s)
v : là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s)
II. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang.
1). Nguyên lý truyền dẫn chung.
Trong hệ thống thông tin quang sợi, ánh sáng được truyền theo suốt
sợi quang giới hạn trong lõi vì có hiện tượng phản xạ toàn phần.

2). Khẩu độ số NA.
Xét ba tia sáng (1), (2), (3) được đưa từ nguồn sáng tới sợi quang
(hình 8). Tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành ba môi trường liền nhau
có chiết suất khóc xạ khác nhau.
+ Không khí : n
o
=1
SVTH : Trần Quốc Hoàn
10
Vỏ (chiết suất n

2
)
Vỏ (chiết suất n
2
<n
1
)
Lâi (chiết suất n
1
)
H×nh 7 : ¸nh s¸ng truyền dẫn bị giới hạn trong lâi sợi
Vỏ ( n
2
)
Vỏ ( n
2
)
Lâi (n
1
> n
2
)
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
90
0

Φ
c
Φ
max
Kh«ng khÝ n
0
= 1
H×nh 8 : Gãc nhận của sợi quang
Báo cáo thực tập
+ Lõi sợi quang : n
1

+ Vỏ sợi quang : n
2
< n
1

Xét tia sáng (2) từ không khí đi vào sợi bị khóc xạ vào lõi, đi tới bề
mặt phân cách vỏ / lõi sợi quang có góc khúc xạ = 90
o

Tại biên của không khí và lõi, lõi và vỏ định luật Snell cho ta hai
phương trình :
+ sin( 90
o
– Φ
c
) =
1
2

n
n
 cosΦ
c
=
1
2
n
n
 sinΦ
c
=
1
2
2
2
1
n
nn
−
+ n
o
.sinΦ
max
= n
1
.sinΦ
c
 sinΦ
max

= n
1
.
1
2
2
2
1
n
nn
−
 sinΦ
max
=
2
2
2
1
nn −
= n
1
.
∆
2
với ∆ =
2
1
2
2
2

1
2n
nn
−
(độ lệch chiết suất tương đối)
sinΦ
max
được gọi là khẩu độ số (NA)
Các tia sáng có góc tới lớn hơn góc Φ
max
sẽ không lan truyền được
trong sợi quang do bị khóc xạ vào vỏ sợi tại mặt phân cách vỏ / lõi [ tia (1) ].
Các tia sáng có góc tới nhỏ hơn góc Φ
max
sẽ lan truyền được trong sợi
quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.
Như vậy khẩu độ số (NA) cho ta biết điều kiện để đưa ánh sáng vào
sợi quang : các tia sáng muốn lan truyền được trong sợi quang phải có góc
tới nằm trong hình nón có góc đỉnh = 2Φ
max
, NA là thông số cơ bản tác động
đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang. Với cùng một đường
kính lõi sợi NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép càng cao.
+ Sợi SI ta có : sinΦ
max
=
2
2
2
1

nn
−
= n
1
.
∆
2
+ Sợi GI ta có : sinΦ
max
=
2
0
1.2.






−∆
a
r
n
SVTH : Trần Quốc Hoàn
11
Báo cáo thực tập
Trong đã : + n
o
là chiết suất lớn nhất của lõi sợi quang
+ a là bán kính lõi sợi quang

+ r là khoảng cách giữa trục sợi quang và điểm đưa tia
sáng vào sợi
NA của sợi GI thay đổi theo r. Nói cách khác nó phụ thuộc vào độ
chênh lệch của chiết suất vỏ sợi và chiết suất nội bộ (hàm số theo bán kính )
lõi sợi.
III. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu tróc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất
lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết
suất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán
kính (khoảng cách tính từ trục của sợi ra). Sự biến thiên của chiết suất theo
bán kính được viết dưới dạng tổng quát nh sau :
n(r) = n
1
g
a
r






∆−
21
với
ar
≤

n
2

với
r
> a
Trong đó : - n
1
là chiết suất lõi sợi quang
- n
2
là chiết suất lớp bọc
- a là bán kính lõi sợi
- ∆ là độ lệch chiết suất tương đối =
2
1
2
2
2
1
2n
nn
−
- r là khoảng cách từ trục sợi quang tới điểm tính chiết suất
- g là tham số mặt cắt
Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác, g = 2 : dạng
parabol, g → ∞ : dạng nhảy bậc
1). Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI_Step-Index).
SVTH : Trần Quốc Hoàn
12
r
n
n

1
n
2
a
n
2
Bỏo cỏo thc tp
+ Chit sut nhy bc l loi si cú cu to n gin nht vi chit
sut ca lừi v lp bc khỏc nhau mt cỏch rừ rt nh hỡnh bc thang. Cỏc tia
sỏng t ngun quang phúng vo u si vi gúc ti khỏc nhau s truyn theo
cỏc ng khỏc nhau.
+ Nhc im ca dng chit sut ny : vi cỏc tia sỏng cú gúc ti
khỏc nhau s c truyn vi thi gian khỏc nhau trờn cựng mt c ly. Khi
cho một tia sỏng hp i vo si quang s nhn c mt tia sỏng rng hn
u bờn kia gi l hin tng tỏn sc.
2). Si quang cú chit sut gim dn (si GI_Graded-Index).
+ Si GI cú chit sut hỡnh parabol
+ ng truyn trong si GI cng khụng bng nhau nhng do cu to
ca si nờn vn tc truyn cng thay i theo. Vỡ vy tỏn sc ca si GI
nh hn nhiu so vi si SI.
SVTH : Trn Quc Hon
13
n
1
Hình 9: truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc
n
1
n
2
n

n
1
n
2
a
r
Hình 10: truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần
Xung vào
Xung ra
Xung vào Xung ra
GI_MM
SI_MM
Báo cáo thực tập
3). Các dạng chiết suất khác.
Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến, ngoài ra còn có một
số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biịet như :
a/. Dạng giảm chiết suất lớp bọc.
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn
phải thêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết
suất lớp bọc nhằm bảo đảm độ lệch chiết suất nhưng có chiết suất lõi n
1
không cao
b/. Dạng dịch độ tán sắc.
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần
1300nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng
1550nm.
c/. Dạng san bằng tán sắc.
Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng
bước sóng. Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ áp dụng trong
thí nghiệm, chưa đưa ra thực tế.

IV. Sợi đơn mode và sợi đa mode.
Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang. Một
hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng.
Thông thường lý thuyết tia được 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, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode sóng là một trong
những khái niệm đó; số mode truyền được trong sợi quang phụ thuộc vào
các thông số kỹ thuật của sợi.
1). Sợi đa mode (MM_Multi-Mode).
Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số
mode N cũng lớn
SVTH : Trần Quốc Hoàn
14
Báo cáo thực tập
Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125àm) là :
+ Đường kính lõi : d = 2.a = 50àm
+ Đường kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm
+ Độ lệch chiết suất : Δ = 0,01 = 1%
+ Chiết suất lõi n
1
= 1,46
Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc giảm dần.
2). Sợi đơn mode (SM_Single-Mode).
Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền
được trong sợi gọi là sợi đơn mode. Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ
đơn mode khi :
- Sợi SI có V ≤ 2,405
- Sợi GI có V ≤ 3,518
Sợi SM_GI hầu nh không sử dụng trong thực tế
Vì chỉ có một mode truyền sóng trong sợi nên độ tán sắc do nhiều

đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy
bậc.
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng :
+ Đường kính lõi sợi : d = 2.a = 9 ữ 10àm
+ Đường kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm
+ Độ lệch chiết suất Δ = 0,003 = 0,3%
+ Chiết suất lõi sợi : n
1
= 1,46
So sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này. Độ tán sắc của sợi đơn
mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại sơi GI), đặc biệt ở bước
sóng λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ≈ 0 ). Do đó dải
thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi của sợi đơn mode
SVTH : Trần Quốc Hoàn
15
Báo cáo thực tập
quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của linh kiện quang cũng phải tương đương
và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu
cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode đang được
dùng phổ biến.
Chương III : CÁC THÔNG SỐ VÀ CẤU TRÚC CỦA SỢI QUANG
I. Suy hao của sợi quang.
1). Định nghĩa.
+ Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan
trọng nhất vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy
thu. Do đã ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống.
+ Định nghĩa : đại lượng suy hao trong sợi quang
1
2
lg10

P
P
−=
α
[dB]
P
1
là công suất quang đầu vào của sợi có độ dài L
P
2
là công suất quang đầu ra của sợi có độ dài L
2). Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang.
Là do sự hấp thụ của vật liệu làm sợi, sự tán xạ quang và khúc xạ
quang chỗ sợi bi uốn cong.
a/. Suy hao hấp thụ.
+ Nguyên nhân :
- Do bản thân sợi quang : suy hao thuần tuý do bản thân sợi quang
bao gồm suy hao hấp thụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại. Đỉnh hấp
SVTH : Trần Quốc Hoàn
16
Báo cáo thực tập
thụ của hai suy hao này lần lượt tại 1µm và 10µm (suy hao lớn nhất). Các
loại suy hao này giảm rất nhanh tại các bước sóng không phải là bước sóng
hấp thụ đỉnh. Suy hao này đạt giá trị nhỏ nhất trong dải λ = 1,0µm - 1,6µm
- Do có tạp chất trong thuỷ tinh làm sợi quang : trong những giai
đoạn đầu phát triển sợi quang, những tạp chất gây nên suy hao là các ion kim
loại như ion sắt, đồng, crom. Tuy nhiên hiện nay chủ yếu là ion hydroxyl
(OH
-
) gây ra suy hao. Các tạp chất này gây ra suy hao từ 1 - 10 dB/km. Các

sợi quang có mức OH
-
cao gây ra các đỉnh hấp thụ tại λ = 1400, 950, 725nm.
b/. Suy hao tán xạ Rayleigh.
+ Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các hướng
khác nhau khi nã gặp phải một vật nhỏ có kích thước không quá lớn so với
bước sóng ánh sáng
+ Mật độ vật liệu không đồng đều trong sợi quang dẫn đến sự không
đồng đều về chiết suất khóc xạ là nguyên nhân gây nên tán xạ Rayleigh
trong sợi quang
+ Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với λ
4
. Do đã khi
ánh sáng lan truyền với λ lớn thì suy hao trở nên nhỏ
+ Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ thuận với nhiệt độ nung
nóng sợi khi kéo sợi. Do vậy nếu giảm nhiệt độ nung nóng → giảm tán xạ
Rayleigh.
c/. Suy hao tán xạ do cấu tróc sợi quang không đồng nhất.
+ Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý
tưởng và cấu trúc hình trụ dọc suốt vỏ và lõi sợi
+ Tại bề mặt biên giữa vỏ và lõi sợi đôi chỗ có sự gồ ghề gây nên ánh
sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài gây ra suy hao quang.
d/. Suy hao cong.
SVTH : Trần Quốc Hoàn
17
Báo cáo thực tập
Là các suy hao bức xạ gây nên do sợi quang bị uốn cong. Với sợi
quang bị uốn cong, các tia sáng có góc tới vượt quá một góc giới hạn nhất
định sẽ bị phát xạ ra ngoài vỏ gây ra suy hao. Do vậy trong việc thiết kế các
hệ thống thông tin sợi quang phải chó ý đến việc giữ bán kính cong sao cho

lớn hơn một giới hạn cho phép xác định.
e/. Suy hao vi cong.
Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi
quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (khoảng vài µm), làm tăng suy hao
quang → chó ý đến sản xuất cấu tróc sợi để bảo vệ sợi chống lại các áp lực
bên ngoài
f/. Suy hao hàn nối.
+ Nếu hai sợi quang được hàn nối với nhau nhưng không được gắn
hoàn toàn đồng nhất thì phần ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không đi vào sợi
kia và bị phát xạ ra ngoài gây nên suy hao quang.
+ Nguyên nhân
- Tồn tại khe hở nhỏ giữa hai sợi quang
- Bề mặt chỗ hàn không đồng nhất
- Lõi trục sợi quang lệch nhau
g/. Suy hao ghép nối sợi quang và các linh kiện quang.
+ Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang
được xác định bằng khẩu độ số NA. LD và LED có độ rộng chùm sáng khác
nhau, khi ghép nối vào sợi quang thì LD có đặc điểm về suy hao tốt hơn (suy
SVTH : Trần Quốc Hoàn
18
Khe hở Gãc lệch trục
Lệch trục
bề mặt kh«ng đồng nhất
H×nh 11
Báo cáo thực tập
hao Ýt hơn) so với LED (ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập chung chùm
sáng). Ngoài ra sợi SM và sợi GI cũng có những đặc điểm khác nhau về suy
hao ghep nối vì chúng có đường kính lõi khác nhau (d
SM
< d

GI
) .
+ Ghép nối sợi quang với linh kiện thu quang thì các loại sợi có NA
lớn, loại sợi GI có suy hao lớn hơn loại sợi SM vì chùm sáng của loại sợi
này bị trải rộng ra. Tuy nhiên sự khác nhau về suy hao do nguyên nhân
chùm sáng nở rộng thì nhỏ hơn rất nhiều so với suy hao ghép bản thân nó.
+ Hệ số phản xạ giữa sợi quang (n
1
) và không khí (n
0
)
R =
.
2
01
01






+
−
nn
nn
100%
3). Đặc tuyến suy hao.
Suy hao trong sợi quang là một hàm số của bước sóng λ. Sợi quang
được sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang làm việc ở ba vùng

bước sóng công tác có suy hao nhỏ nhất. Ba vùng này được gọi là ba cửa sổ
SVTH : Trần Quốc Hoàn
19
600 800 1200 1600
850
1310
1550
0,2
0,5
2
10
α [dB/km]
λ
Trước những năm 1970
1
st
window
2
nd
window
3
rd
window
H×nh 12 : C¸c cửa sổ quang
Sau năm 1980
Bỏo cỏo thc tp
quang : th nht, th hai v th ba cú cỏc bc súng trung tõm tng ng l
850nm, 1310nm, 1550nm.
II. Tỏn sc.
Hin tng tỏn sc : khi truyn dn cỏc tớn hiu qua si quang s xut

hin hin tng dón rng cỏc xung ỏnh sỏng u thu. Trong mt s trng
hp, cỏc xung lõn cn chng ố lờn nhau khi ú s khụng nhn bit c cỏc
xung vi nhau => gõy mộo tớn hiu
Cú hai loi tỏn sc : + Tỏn sc mode
+ Tỏn sc bc súng (vt liu v cu trỳc)
1). nh ngha tỏn sc.
Tỏn sc tng cng ca si quang D (s) c xỏc nh :
D =
2
1
2
2
tt

Trong ú : t
1
, t
2
l rng ca xung ra. Tỏn sc qua mi kim c tớnh
bng n v ns/km. i vi loi tỏn sc do cht liu ngi ta li ỏnh giỏ
tỏn sc trờn mi km ng vi nm b rng ph ca ngun quang, lỳc ú n v
c tớnh l ps/km
2). Cỏc nguyờn nhõn gõy tỏn sc.
a/. Tỏn sc mode.
Trong si quang a mode, tc lan truyn ỏnh sỏng ca cỏc mode l
khỏc nhau. Khi một xung ỏnh sỏng c a vo si quang a mode thỡ
xung ti u ra cú rng ln hn xung u vo.
SVTH : Trn Quc Hon
20
Amp

t
t
(a)
(b)
(b) : chuỗi xung đầu ra
Hình 13 : Sự dãn rộng xung khi truyền qua sợi quang
(a) : chuỗi xung đầu vào
Báo cáo thực tập
Nguyên nhân do xung ánh sáng vào mặc dù chỉ có một bước sóng đơn
nhưng lan truyền trong sợi có nhiều mode khác nhau, tốc độ lan truyền khác
nhau. Do đó ở đầu ra của sợi quang các xung bị giãn rộng ra hơn (so với
xung đầu vào) => hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc mode
Tán sắc mode làm giới hạn độ rộng băng truyền dẫn của sợi đa mode.
Bởi vậy trong các tuyến thông tin sợi quang có dung lượng lớn đòi hỏi đặc
tính băng truyền dẫn rộng thì không dùng sợi đa mode mà chỉ dùng sợi đơn
mode vì sợi đó chỉ truyền duy nhất một mode nên loại bỏ được tán sắc
mode.
b/. Tán sắc bước sóng.
Ánh sáng sử dụng trong thông tin sợi quang không hoàn toàn là ánh
sáng đơn sắc mà là ánh sáng có các bước sóng được phân bố trong 1 dải hẹp.
Trong môi trường sợi quang, chiết suất khúc xạ của nó biến đổi theo
bước sóng, do đó tốc độ truyền dẫn ánh sáng cũng biến đổi theo bước sóng.
Vì vậy, các thành phần của ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ không tới
đầu ra sợi quang cùng một lúc => gây ra tán sắc. Hiện tượng này gọi là tán
sắc vật liệu.
Khi chiết suất khúc xạ của lớp vở và lõi sợi quang khác nhau chót Ýt
thì hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn toàn giống như
trên bề mặt gương mà còn có một phần ánh sáng thẩm thấu qua lớp vỏ.
Ngoài ra mức độ thẩm thấu này còn biến đổi theo bước sóng. Kết quả ánh
sáng thay đổi theo bước sóng => hiện tượng tán sắc cấu trúc.

Sợi đa mode thì tán mode là chủ yếu, sợi đơn mode không có tán sắc mode.
Sợi đơn mode thì tán sắc bước sóng là chủ yếu, sợi đa mode là 1 giá
trị nhỏ.
3). Độ tán sắc tổng cộng.
SVTH : Trần Quốc Hoàn
21
Báo cáo thực tập
Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức :
D
t
=
( )
22
mod chr
DD
+
Với D
cht
= D
max
+ D
Wg

Trong đó : D
chr
_ Độ tán sắc sắc thể (Chomatic Dispersion)
D
Wg
_Độ tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)
D

mat
_Độ tán sắc chất liệu (Material Dispersion)
4). Độ tán sắc của một vài sợi đặc biệt.
Sợi dịch tán sắc : Vì độ suy hao của bước sóng 1550nm chỉ bằng phân
nửa so với suy hao ở bước sóng 1300nm, nên ở tuyến cáp quang đầu đường
dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lại
lớn. Để giải toả trở ngại này ta làm theo hai cách :
+ Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu :
D
mat
= d
mat
.Δλ
+ Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550nm (sợi có được
tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm gọi là sợi tán sắc dịch chuyển.
III. Bước sóng cắt.
Bước sóng nhỏ nhất mà tại đã sợi quang làm việc như sợi đơn mode
được gọi là bước sóng cắt
λ
c
=
2
2
2
1
405,2
.
nn
d
−

π
( Sợi SI )
(Sợi SM_GI hầu như không sử dụng trong thực tế)
SVTH : Trần Quốc Hoàn
22
T¸n s¾c (ps/nm.km)
Sîi tèi u t¹i
Sîi t¸n s¾c ph¼ng
Sîi t¸n s¾c dÞch
H×nh 14 : T¸n s¾c sîi dÉn quang ®¬n mode
Báo cáo thực tập
λ
c
là 1 trong những thông số cơ bản đặc trưng cho các sợi quang đơn mode.
Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong
của sợi quang. Sợi quang càng nhỏ thì λ
c
càng nhỏ và ngược lại
IV. Đường kính trường mode.
+ Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang của
sợi quang theo quy luật hàm mũ. Sự phân bố tương đối của cường độ trường
( I / I
max
) là một hàm số của bán kính và bước sóng
+ Vì sợi quang đơn mode có đường kính lõi và chênh lệch chiết suất
khóc xạ nhỏ, do vậy việc xác định một cách rõ ràng biên của lớp lõi và vỏ
theo phương pháp quang rất khó khăn. Để thuận tiện chóng ta sử dụng
đường kính mode.
+ Để đặc trưng cho sợi đơn mode người ta định nghĩa đường kính
trường mode được tính gần đóng theo công thức :

d
mode
= d . 2,6 .
c
λ
λ
.405,2
SVTH : Trần Quốc Hoàn
23
§êng kÝnh trường mode
r/a
I / I
max
1
1/e
λ/λ
c
=1,2
λ/λ
c
=2,4
a : Đường kÝnh lâi
r : khoảng c¸ch từ t©m lâi
e: Hằng số logarit tự nhiªn
H×nh 15 : Đường kÝnh trường mode
Bỏo cỏo thc tp
+ d
mode
c tớnh ti mc phõn b tng i ca cng trng l
I/I

max
= 1/e =0,135 (e = 2,71828)
V. Cỏc thnh phn ca cỏp.
1). Cu trúc tng quỏt.
Cu trỳc ca cỏp phi c tho món yờu cu chớnh l bo v si quang,
c ch to phự hp mt mc ớch s dng ca vin thụng bao gm: cỏp
treo, cỏp chụn trc tip, cỏp th bin, cỏp trong nh.
Mi loi cú mt vi chi tit c bit ngoi cu trỳc chung ca cỏp.
2). Cỏch sp xp.
Si quang: Cỏc si quang ó c bc lp ph v lp v sp xp theo th
t nht nh. Lp v cú th dng m lng, m khớt, m tng hp, bng
dt.
3) Thnh phn chu lc.
Bao gm cỏc thnh phn chu lc trung tõm v thnh phn chu lc
bờn ngoi.
SVTH : Trn Quc Hon
24
Vỏ cáp (nhựa PE)
Thành phần chịu lực ngoài
Lớp đệm (nhựa PE)
Thành phần chịu lực trung tâm
Băng quấn (Plaste)
Sợi quang
Lớp đệm mỏng
Hình 16 : Cấu trúc tổng quát của cáp quang
Báo cáo thực tập
Chất nhồi: làm đầy ruột cáp.
Vỏ cáp để bảo vệ ruột cáp.
4). Líp gia cường.
Bảo vệ cáp trong những điều kiện khắc nghiệt.

Dựa vào hình thức cấu tạo hoặc lĩnh vực sử dụng để phân biệt loại
cáp.
Thông dụng nhiều nhất là cáp ngoài trời (gồm cáp treo, cáp chôn trực
tiếp, cáp kéo trong ống) có vở PE màu đen, bình thường loại cáp này không
cần lớp gia cường, chỉ cần lớp kim loại (thường là nhôm) bao ruột cáp.
VI. Phân loại cáp quang.
1). Phân loại theo cấu trúc.
Cáp có cấu trúc cổ điển là cáp loại sợi hay các nhóm sợi quang phân
bố đối xứng theo nhóm trong vòng đồng tâm.
2). Phân loại theo mục đích sử dụng.
Cáp dùng cho thuê bao nội hạt, cáp trung kế, cáp đường dài.
3). Phân loại theo điều kiện lắp đặt.
Cáp chôn trực tiếp, cáp đặt trong cống, cáp thả nước, cáp treo, cáp
dùng trong nhà.
VII.Cấu trúc sợi quang.
Thành phần chính của sợi quang là gồm lõi (Core) và lớp bọc
(Cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có hai lớp trên bằng thuỷ tinh.
Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập chung trong lõi nhờ sự
phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc bên ngoài.
Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi
quang còn được bọc thêm vài lớp nữa.
SVTH : Trần Quốc Hoàn
25
Líp vá
Líp phñ
Líp bäc
Lâi
0,9(2nm)
250µm
125µm

10(50µm)