đồ án kỹ thuật viễn thông Tổng quan về hệ thống truyền tải thông tin quang trên sợi quang.

Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA:ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: Tổng quan về hệ thống truyền tải thông tin
quang trên sợi quang.

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Nam Quân
Sinh viên thực hiện : Tạ Ngọc Hải
Lớp : K11D

Hà Nội
Ngày 22 tháng 02 Năm 2012
SV: Tạ Ngọc Hải
1
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Mục lục
Phần 1:Tổng quan về hệ thống thông tin quang.
Lời mở đầu.
1.1 Lịch sử ra đời vàphát triển.
1.2 Sơ đồ chung
Phần 2:Sợi quang và cáp quang.
Chương 1. Sợi dẫn quang
1.1 Nguyên lý truyền dẫn.
1.2 Cấu trúc của sợi dẫn quang và các mode truyền dẫn.
1.2.1 Đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng trong sợi .
1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang
1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang
1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang
1.3.1 Đặc điểm

1.3.2 Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau :
Chương 2. Cáp quang
2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang
2.1.1 Bảng các đặc tính vật liệu dùng làm lõi :
2.1.2 Bảng các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường
2.2 Cấu tạo chung của cáp .
2.3 Ưu điểm và nhược điểm
Phần 3:Các thiết bi thu phát quang.
Chương 1. Các thiết bị phát quang
1.1 Điôt phát quang LED
1.1.1 Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode)
1.1.2 Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau
1.2 Vật liệu của nguồn phát quang
1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang
1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang
1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang
1.3 Ứng dụng
SV: Tạ Ngọc Hải
2
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
1.4 Bảng các đặc tính ELED tiêu biểu
1.5 Điôt Laser
Chương 2. Cáp quang
2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang
2.1.1 Bảng các đặc tính vật liệu dùng làm lõi :
2.1.2 Bảng các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường
2.2 Cấu tạo chung của cáp .
2.3 Ưu điểm
SV: Tạ Ngọc Hải
3

Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Phần I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.
Lời mở đầu
Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự các hệ thống thông
tin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn
tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung .Đây là nguyên lý mà loài người
đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin , tín hiệu cầu
truyền đi được phát vào môi trường truyền dẫn tương ứng, và đầu thu sẽ thu
lại tín hiệu cầu truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường
truyền dẫn ở đấy chính là sợi dẫn quang ,nó thực hiện truyền ánh sáng mang
tín hiệu thông tia từ phía phát tới phía thu.
1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Vào năm 1960, việc phát minh ra Laserddeer làm nguồn phát quang đx mở ra
một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử
dụng dải tần ánh sáng .Theo lý thuyết thì nó cho phép thực hiện thông tin với
lượng kênh rất lớn vượt rất nhiều lần các hệ thống Viba hiện có. Hàng loạt
các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó.
Một số kết quả thu được nhưng tiếc rằng chi phí quá tốn kém, kinh phí tập
trung vào sản xuất các thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời
tiết (mưa, tuyết ) gây ra là rất lớn, chính vì vậu nó chưa thu hút được sự
chú ý của mạng lưới.Một hướng nghiên cứu khác cùng thời gian này là đã tạo
được hệ thống thông tin đáng tin cậy hơn huướng thông tin khí quyển đó là
sự phát minh ra sợi quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc
dù suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đã tạo ra được một mô hình hệ thống có
xu hướng linh hoạt khả thi hơn .Tiếp theo là KAO,Hockman và Werts năm
1966đã nhận thấy sự suy hao cua sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu
chế tạo. Những nhận định đó đã được sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer
chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970. Suy hao
nay cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền

dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng đó các sợi
SV: Tạ Ngọc Hải
4
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
dẫn quang có suy hao nhỏ lần lượt ra đời. Đầu những năm 1980, các hệ thống
thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng
làm việc 1300nm. Và bây giờ sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ
khoảng 0,154ds/Km tại bước sóng dài hơn là 1550nm thấy sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hai thập niên qua. Giá trị suy hao
này đã gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mốt là
0,14ds/Km . Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu
quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với ưu điểm trội hơn hẳn so với
các hệ thống thông tin các kim loại là:
- Suy hao truyền dẫn.
- Băng tần truyền dẫn rất lớn.
- Không bị ảnh hưởng của nhiều điện từ.
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin.
- Có kích thước và trọng lượng nhỏ.
- Sợi có tính cách điện tốt.
- Tin cậy và linh hoạt.
- Sợi được chế tạo từ vật liệu rất có sẵn.
Do các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng
rải trên mạng lưới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đường trục trung
kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp
ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến
xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù
hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các
tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có
một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần đây gọi là SONET
(Sunchronceus optical Network), tốc độ truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi

khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một lưu lượng ghép kênh số
trên sợi quang.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới, chúng đáp ứng được cả tín hiệu tương tự (Analog) và số (diegital),
SV: Tạ Ngọc Hải
5
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng,
đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng
cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng lớn, đủ mọi tốc độ
truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước
lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ
thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu
hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
Bảng tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản.
Phân
cấp
Khối Bắc Mỹ Khối Châu Âu Nhật Bản
Tốc độ bit
Mbit/s
Số kênh
thoại
Tốc độ
bit
Mbit/s
Số
kênh
thoại
Tốc độ
bit Mbit/s

Số kênh
thoại
1
2
3
4
5
1,544
6,312
44,736
274,176
274,176
24
96
672
4032
4032
2,048
8,448
34,368
139,264
565,184
30
120
480
1920
7680
1,544
6,312
32,064

97,728
396,200
24
96
480
1440
5760
Bảng các mức phân cấp tín hiệu SONET
Mức OC -
1
OC -
3
OC -
9
OC-
12
CO-
18
OC-24 OC-36 OC-48
Tốc
độ
truyề
n
Mbit/
s
51,84 155,5
2
466,5
6
622,0

8
933,1
2
1244,1
6
1866,2
4
2488,3
2
Cấu trúc và thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang.
SV: Tạ Ngọc Hải
6
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc
truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin
quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất đó, ta xét cấu trúc
của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau:
- Phần phát quang.
- Cáp sợi quang.
- Phần thu quang.
Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch
điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp quang bao gồm các sợi dẫn quang và
các lớp vở bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên
ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuếch đại, tái tạo tín
hiện hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang
còn có các bộ nối quang Counetor, các mối hàn, các bộ nối quang, chia
quang và trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
1.2 Sơ dồ chung
SV: Tạ Ngọc Hải
7

Nguồn
phát
quang
Các thiết bị khác
Khuếch đại
Bộ thu
quang
Trạm lặp
Bộ phát quang
Tín
hiệu
điện
vào
Mạch
điều
khiển
Bộ
nối
quang
Sợi
dẫn
quang
Mối
hàn sợi
Bộ chia quang
Phát
quang
Mạch
điện
Thu

quang
Khuếch
đại
quang
Chuyển
đổi tín
hiệu
Đầu thu
quang
Tín
hiệu
điện ra
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
PHẦN II
SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG

Chương 1. Sợi dẫn quang
1.1 Nguyên lý truyền dẫn
Bản chất của ánh sáng có thể coi là một chùm các phần tử lại rất nhỏ bé
được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như đang
đi theo một đường thẳng và thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại
bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. Quan điểm này đã mô tả đầy đủ các
hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ như hiện tượng
phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết này để
giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Vào năm 1864, Maxwell đã
chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ.
Hơn thế khi quan sát các hiệu ứng về phân cực người ta thấy sự chuyển động
của sóng luôn vuông góc với hướng của sóng đi, điều đó nói lên sóng ánh
sáng là sóng ngang.
Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng chủ yếu dựa vào hiện tượng phản xạ

toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi
trường đặc hoá sang môi trường loãng hơn.
Cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n
1
sang môi trường có
chiết suất n
2
(n
2
< n
1
); Tia tới 91) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách
SV: Tạ Ngọc Hải
8
2
P
β
(1)
n
2
n
1
(2)
1
P
n
2
n
1
α

T
Vùng phản xạ toàn phần
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
giữa hai môi trường một góc tới là α. Khi sang môi trường thứ hai, tia sáng
bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P một góc khúc xạ β các đại lượng này đều
tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng:
n
1
sinα = sinβ
ứng với góc tới hạn αT thì góc khúc xạ
β = 90
0
lúc này sinαT =
Vậy điều kiện để xây ra phản xạ toàn phần là: các tia sáng phải đi từ
môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất nhỏ hơn và góc tới
của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
1.2 Cấu trúc của sợi dẫn quang và các mode truyền dẫn.
1.2.1 Để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng trong sợi thì trước hết
cấu trúc của nó phải là một ống dẫn nóng hoạt động ở dải tần quang, có dạng
hình trụ làm bằng vật liệu thủy tin có chỉ số chiết suất n
1
lớn và bao quanh lõi
là một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n
2
< n
1
.
Vật liệu cấu tạo lõi sợ thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ có thể là thủy tinh
hay chất dẻo trong suốt. Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào sự thay đổi
thành phần chiết suất của lõi sợi.

- Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số
chiết suất phân bậc (SI - Step Index).
- Loại sợi có chỉ số chiết suất Gradien (GI).
- Loại sơi phân chia theo mode truyền dẫn.
Mode ở đây chính là sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi được mô tả
dưới dạng các sóng điện từ truyền dẫn. Mỗi một mode truyền dẫn là một mẫu
các trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng
cách tương đương với bước sóng.
SV: Tạ Ngọc Hải
9
n
2
n
1
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
1.2.2 Cấu trúc các loại sợi dẫn quang
.

SV: Tạ Ngọc Hải
10
r
n
2
n
1
n
(Sợi đa mode chiết
suất biến đổi SI -
MM
xung vào xung ra

n
2
n
1
n
(Sợi đơn mode SM)
xung vào xung ra
r
xung vào
n
2
n
1
n
(Sợi đa mode chiết suất
bậc SI - MM
xung ra
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
1.2.3 Bảng phân loại sợi dẫn quang

Danh mục Loại sợi
Phân loại theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc.
- Sợi có chỉ số chiết suất Gradien.
Phân loại theo Mode truyền dẫn - Sợi đơn Mođe.
- Sợi đa Mode.
Phân loại theo cấu trúc vật liệu - Sợi thủy tinh.
- Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo.
- Sợi thủy tinh nhiều thành phần.
- Sợi chất dẻo.
1.3 Đặc tính vật lý của sợi quang:

Nhìn chung chúng có cấu tạo từ lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi
dẫn quang dài và mảnh, chúng có vai trò truyền tính hiệu thông tin ở cự ly xa
và tốc độ lớn nên phải được cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất
của chúng. Nhưng trong thực tế, sợi dẫn quang lại phải chịu những ứng suất
và lực căng trong quá trình bọc cáp, quá trình lắp đặt cũng như khai thác ở
các môi trường thực tế. Vì vậy, ngoài các đặc tính truyền dẫn của sợi dẫn
quang, các đặc tính cơ học của nó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình
vận hành khai thác trong hệ thống thông tin. Các đặc tính đó được thể hiện ở
lúc chế tạo cáp, lắp đặt cáp và trong suốt quá trình khai thác. Trong lúc bọc
cáp và lắp đặt tuyến, tải trọng tác động vào sợi có thể ở dạng xung lực hoặc
thay đổi từ từ. Khi cáp được khai thác thì các tải trọng thường thay đổi chậm,
có thể do ảnh hưởng từ nhiệt độ hay sự thay đổi của môi trường lắp đặt cáp
Sức bền và độ mỏi là hai đặc tính cơ bản của sợi quang. Sợi quang được chế
tạo từ thủy tinh nên nó cũng dễ vỡ như gương kính và các loại thủy tinh
thông thường khác và như vậy sợi quang không phải là sản phẩm chịu lực
khoẻ. Song ứng suất phá vỡ theo chiều dọc của nó có thể so sánh được với
các dây kim loại. Lực liên kết của các nguyên tử cấu tạo nên sợi dẫn quang
SV: Tạ Ngọc Hải
11
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
đã chi phối đến sức bền thực chất của nó. Sợi quang thủy tin có độ dài ngắn
có thể chịu lực căng lớn nhất khoảng 14Gpa.
Trong khi đó sợi thép chịu 20 GPa. Sự khác nhau đó là do tính không thể co
giãn được của sợi thủy tinh so với sợi kim loại, khi tới ngưỡng gây đứt, sợi
thủy tin có thể giảm một lượng không đáng kể khoảng 1% trước khi bị kéo
đứt. Trên thực tế, sự tồn tại những tập trung ứng suất ở bề mặt của các vết
nức hoặc vết rạn sẽ giới hạn độ dài trung bình của các sợi quang dài nằm
trong khoảng 700 đến 3500 MPa. Lực gãy nứt của độ dài sợi đã cho được
xác định dựa vào kích cỡ và cấu trúc hình học của vết nứt nghiêm trọng nhất
trên sợi. Ví dụ một kiểu vết nứt cơ học sau, nó có dạng hình elip như vậy quy

về dạng chung có tên là vết rạn Griffich. Nếu gọi độ rộng vết nứt là W, độ
sâu là X và bán kính đầu mút là δ thì sức bền của vết rạn sợi thủy tinh có
quan hệ sau:
K = Y. δ . √X
trong đó: K: cường độ ứng suất (đơn vị là: megaposcal)
X: (mm)
Y: hằng số
Giá trị lớn nhất của K sẽ phụ thuộc vào thành phần của thủy tinh
nhưng dự kiến nằm trong dải từ 0,6 ÷ 0,9 MN/Cai
3P
SV: Tạ Ngọc Hải
12
Bán kính đầu
W
x
mút 0
ứng suất δ
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Hình: Mẫu giả định về vết rạn nứt trên sợi dẫn quang
1.3.1 Đặc điểm
Nhìn chung, trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu
nhiên cho nên lực gãy đứt phải được xác định theo thống kê. Nếu gọi F(δ,L)
là xác suất tích lũy, L là chiều dài sợi bị giới hạn dưới một ứng suất δ, và giả
thiết rằng các vết nứt là độc lập được phân bố ngẫu nhiên trên sợi dẫn quang
và sự gãy đứt sẽ xảy ra ở vết nứt nghiêm trọng nhất, thì ta có:
F(δ,L) = 1 - e
-LN(
δ
)
với N(δ) số tích lũy các vết nứt trên một đơn vị độ dài có một sức bền

nhỏ hơn δ.
Ngược lại, độ mỏi lại liên quan đến sự lớn dần của các vết nứt có trên
sợi dẫn quang dưới tác động của độ ẩm và ứng suất căng. Sự lớn dần của vết
nứt làm cho sợi bị đứt ở một ứng suất thấp kém so với ứng suất dùng để kiểm
tra độ bền của sợi. Vết nứt như ví dụ trên sẽ cắt thông qua sợi dây do sự ăn
mòn của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt. Nguyên nhân thứ nhất là sự xuất
hiện của nước từ môi trường ngoài xâm nhập vào, nó làm giảm sự liên kết
phân tử SiO
2
trong thuỷ tinh. Tốc độ của phản ứng sẽ tăng khi sợi chịu sự tác
động của ứng suất đặt vào nó. Nhưng theo thực nghiệm thì sự mỏi tĩnh học sẽ
không xảy ra nếu như mức ứng xuất nhỏ hơn xấp xỉ 0,20 sức bền. Trong thực
tế các loại vỏ bọc dùng trong sợi dẫn quang hiện nay có khả năng để bảo vệ
chống lai sự ăn mòn của môi trường ngoài, một yếu tố quan trọng nữa là độ
mỏi động. Khi các sợi dây quang đặt vào trong đường ống cáp ,nó phải chịu
ứng xuất lặp đi lặp lại do tác động của dây cáp lên. Cáp bị dâng là do những
cọ sát giữ cáp và đường ống hoặc dụng cụ dẫn cáp trong các bể cáp ở các
tuyến cáp đi lượn vòng. Cáp treo cũng chịu các ứng xuất tăng lên do các tác
động của gió .
1.3.2 Vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm các loại sau :
- Sợi thuỷ tinh :Chủ yếu dùng dioxit Silic (SiO
2
).
- Sợi thuỷ tinh Halogen :Là thuỷ tinh thuộc họ Halogen từ các nguyên
tố nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn .
SV: Tạ Ngọc Hải
13
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
- Sợi thuỷ tinh tích cực :Là sự kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi
thụ động bình thường thuỷ tinh:

- Các loại sợi vỏ chất dẻo :Vỏ thường được chế tạo từ hỗn hợp Pôlime
có chỉ số chiết suất hoá bởi dioxit Silic.
- Sợi chất dẻo : Là loại sợi sợi chiết xuất phân bậc có lõi và vỏ phản xạ
hoàn toàn được cấu tạo từ vật liệu chất dẻo .
1.3.3 Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang
- Suy hao do hấp thụ có 2 loại :Do vật liệu ,tạpchất và hấp thụ điện tử
- Suy hao do tán xạ .
- Suy hao do uốn cong sợi .
- Suy hao do méo tín hiệu trong sợi dẫn .
- Suy hao do trễ nhóm
- Suy hao do tán sắc vật liệu
- Suy hao do tán sắc dẫn sóng
- Suy hao do méo tín hiệu trong các sợi đơn Mode.
- Suy hao do méo Mode
- Suy hao do ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn trên sợi
quang

SV: Tạ Ngọc Hải
14
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Chương 2. Cáp quang
2.1 Những yêu cầu chung về cáp quang
Cũng như cáp kim loại ,cáp quang c ũng có những yêu cầu ,đặc điểm
cần phải đáp ứng trước hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi
ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm, nhiệt độ hoặc các lực cơ
học tác động. Cáp cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Không bị ảnh hưởng nhiễu điện tử.
- Không thấm nước, lọc nước.
- Chống được các ảnh hưởng của tác động cơ học như va chạm, lực
kéo, lực nén, uốn cong

- ổn định nhiệt khi nhiệt độ thay đổi.
- ít bị bão hoà ,có thời gian làm việc lâu.
- Trọng lượng nhỏ và kích thước bé.
Cấu tạo của cáp quang gồm:
- Lõi cáp : Các sợi cáp đã được bọc chặt nằm trong cấu trúc lỏng ,cả
sợi và cấu trúc lỏng hoặc rãnh kết hợp với nhau tạo thành lõi cáp .Lõi thường
bao quanh phần tử gia cường của cáp. Các thành phần tạo rãnh hoặc các ống
bọc thường được làm bằng chất dẻo.
2.1.1 Bảng các đặc tính vật liệu dùng làm lõi :
Vật liệu Lực căng
(KG/mm
2
)
Độ giảm dài
phá huỷ cáp
(90)
Module young
(KG/mm
2
. 10
2
)
Giảm
nhiệt 10
-
5
/
0
C
Sợi quang 500 5 71 0,05

Nylon 5,6 ÷ 6,5 300 1,3 ÷ 2,4 20
Polyethylene:
Mật độ cao
2,1 ÷ 3,8 15 ÷ 100 0,4 ÷ 0,7 11 ÷ 13
Polyethylene:
Mật độ thấp 0,7 ÷ 1,4 90 ÷ 650 0,1 ÷ 0,24 10 ÷ 22
Polypropylene 3,3 ÷ 4,2 200 ÷ 700 1,1 ÷ 1,4 8 ÷ 9,5
Polyvinilehlo
Rride (PVC)
0,7 ÷ 0,24 200 ÷ 400 0,1 7 ÷ 21
Fluoroethylen
Propylene (FEP)
2 ÷ 3,2 250 ÷ 330 0,35 8,3 ÷ 10,5
Plybuthylen
Terephthalete
(PBT)
∼ 6 200 2,5 6 ÷ 9
SV: Tạ Ngọc Hải
15
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
- Thành phần gia cường là các phần tử tạo cho cáp có lực cơ học cần
thiết để chịu được căng và co ,đặc biệt là bảo đảm tính ổn định cho cáp.
Các vật liệu có Modul Young cao thường được sử dụng làm thành
phần gia cường .Ngoài ra,yêu cầu vật liệu gia cường là phải nhẹ ,có độ mềm
dẻo .Đay là các đặc tính quang trọng quá trình lắp đặt kéo cáp trong cống
.Thành phần gia cường là kim loại hay phi kim .Nó có thể được đặt ở tâm cáp
hoặc phân bố ở các lớp ngoài đồng tâm với cáp .
2.1.2 Bảng các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cường.
Vật liệu
Trọng

lượng
riêng
Modul
young
(KG/mm
2
)
ứng suất
thu được
(KG/mm
2
)
Độ giãn
dài thu
được
(90)
ứng suất
phá vỡ
(KG/mm
2
)
Độ giãn
dài gãy
đứt (90)
- Sợi thép
- Sợi cacbon
- Sợi chất
dẻo pha thủy
tinh (GFRP)
- Kevlav 49

- Kevlav 29
7,86
1,5
2,48
1,44
1,44
20 . 10
3
10-20.10
3
9 . 10
3
13 . 10
3
6 . 10
3
40 - 150
150 - 200
300
300
70
0,2 - 1
1 - 1,5
3
2
1,2
50 - 300
150 - 200
300
300

300
20 - 25
1,5
2,4
2
4
-Vỏ cáp có chức năng cơ bản là bảo vệ cáp và có tính chất quyết định
tuổi thọ của cáp .Vỏ cáp có thể được bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị các
tác động của ứng xuất cơ học và môi trường bên
ngoài .Vật liệu chế tạo vỏ ngoài cáp thường là PVC Ôlyetylen và
Polyurthane. Vỏ bọc,kim loại của cáp thường là các băng thép nhẵn hoặc các
sợi xếp thành hình vỏ bọc .
2.2 Cấu tạo chung của cáp .
1. Phần tử gia cường
2. Lõi cáp
3. Vỏ bọc PVC
SV: Tạ Ngọc Hải
16
1
1
1
2
2
3
3
3
2
2
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
2.3 Ưu điểm của cáp quang vì là phi kim không có hiện tượng cảm ứng

điện từ nên có thể lắp đặt cạnh các đường của điện lực và nơi khác. Vật liệu
chế tạo rẻ, tiêu hao nhỏ dưới 1ds/km dải tần truyền dẫn rộng, tốc độ truyền
dẫn cao đạt đến hàng chục Gbit/s
Ngoài ra cáp quang còn có một số nhược điểm về tính chất và kỹ thuật
đó là vì thành phần lõi là sợi quang rất giòn, dễ gãy do tác động giãn nở kéo
dài. Còn về phương diện truyền nóng thì nếu cáp uốn cong ngoài yêu cầu cho
phép thì sẽ dẫn đến sự suy hao thông tin truyền trong cáp
Ngoài ra ưu nhược điểm của cáp quang còn phụ thuộc vào sự phân loại
sử dụng cáp theo yêu cầu kỹ thuật như cáp truyền dẫn đường dài, nội hạt hay
là trên mạng trung kế và theo yêu cầu về địa lý như cáp chôn trong cống,
cáp thả dưới nước

SV: Tạ Ngọc Hải
17
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
PHẦN III
CÁC THIẾT BỊ THU PHÁT QUANG
Chương 1. Các thiết bị phát quang
1.1 Điôt phát quang LED
1.1.1 Cấu trúc của LED (Light - Emitting Diode) là một loại nguồn
phát quang cho các hệ thống có tốc độ bit dưới 200 Mbit/s sử dụng sợi đa
Mode. Có hai loại cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi là cấu trúc tiếp giáp
thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép ( không thuần nhất). Xét cấu trúc
dị thể kép loại qua khảo sát và kiểm tra đã đem lại sự ứng dụng nhiều nhất
SV: Tạ Ngọc Hải
18
Năng
lượng điện
tử
Tái hợp điện tử và lỗ trống

Dòng lỗ trống
hv = 820 nm
-
1,51eV
+
Vùng tích cực
Vùng dẫn nóng
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
1.1.2 Cấu trúc của dị thể kép có hai lớp hợp kim khác nhau ở mỗi bên
của vùng bán dẫn tích cực, đây cũng là cấu trúc được triển khai rất sớm trước
khi nghiên cứu Laser.
LED có hai loại cấu trúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang
là cấu trúc phát mặt và cấu trúc phát cạnh. Đối với phát mặt thì mặt phẳng
của vùng phát ra ánh sáng vuông góc với trục của sợi dẫn quang. Vùng tích
cực thường có dạng phiến tròn, đường kính khoảng 50 µm và độ dày khoảng
2,5 µm. Mẫu phái chủ yếu là đẳng hướng với độ rộng chùm phái khoảng
120
0
. LED phát cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò
là nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp. Cả hai lớp dẫn đều có chiết
suất thấp hơn chỉ số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chỉ số
chiết suất của các vật liệu bao quanh. Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn
nóng để hướng sự phát xạ ánh sáng về phía lõi sợi. Để tương quan với lõi sợi
dẫn quang có đường kính nhỏ từ 50 ÷ 100 µm, các dải tiếp xúc với LED phát
cạnh phải rộng từ 50 ÷ 70 µm. Độ dài của các vùng tích cực thường là 100 ÷
150 µm.
SV: Tạ Ngọc Hải
19
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
(Cấu trúc LED phát mặt)

(Cấu trúc LED phát cạnh)

1.2 Vật liệu của nguồn phát quang: các vật liệu bán dẫn được dùng cho lớp
tích cực của nguồn phát quang trong các hệ thống thông tin quang phải có dải
cấm trực tiếp. Trong bán dẫn có dải cấm trực tiếp, các điện tử và lỗ trống có
thể tái kết hợp trực tiếp qua dải cấm mà không cần qua phần tử thứ ba để bảo
SV: Tạ Ngọc Hải
20
Si0
2
Si0
2
Phiến tỏa nhiệt
Vật liệu bao phủ
Kim loại hóa
Chất nền
Lớp cấu trúc
dị thể kép
Sợi quang
Giếng khắc
hình tròn
Các lớp
hạn chế
Giải tiếp xúc
Miền hoạt tính
Kim loạiChất nền
Tỏa nhiệt
Lớp dẫn ánh
sáng
Lớp Si0

2
cách
điện
Các lớp dị thể
kép
ánh sáng ra kết hợp
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
tồn động lượng. Chỉ có vật liệu dải cấm trực tiếp mới có sự tái kết hợp đủ lớn
để đưa ra được mức phát quang thoả đáng. Trong thực tế không tồn tại bán
dẫn đơn phân tử cho các dải cấm trực tiếp, mà vật liệu dải cấm trực tiếp chỉ
có thể tạo ra từ các hỗn hợp ghép phân tử.
1.2.1 Bảng đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép
Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng
Các vật liệu
hai thành phần
GaP (Gali - Phốt pho)
GaAs (Gali - Asên)
AlAs (Nhôm - Asen)
InP (Inđi - Phốt pho)
InAs (inđi - Asen)
2,24 eV
2,09 eV
1,42 eV
1,33 eV
0,34 eV
0,55 µm
0,59 µm
0,87 µm
0,93 µm
3,6 µm

Vật liệu 3 và 4
thành phần
AlGaAs (Nhôm-Gali-
Asen)
InGaAsP(Inđi-Gali-
Asen)
1,42 ÷ 1,6 eV
0,74 ÷ 1,13 eV
6,77 ÷ 0,87 µm
1,1 ÷ 1,67 µm
1.2.2 Đặc tính ứng dụng của các diot phát quang chủ yếu dùng cho các
sợi dẫn quang đơn mode. Có hai dạng cấu trúc của LED sẵn có là phát mặt và
phát cạnh. Quá trình đóng thành sản phẩm modul khá đơn giản và điều này
giúp cho chi phí về giá thành thấp. Loại diot phát cạnh ELED còn phải bảo
đảm độ tin cậy để duy trì chất lượng thông tin tốt. Các mức công suất thường
ghép với ELED nằm trong khoảng từ 2 ÷ 10 µm ở điều kiện nhiệt độ phòng.
Tốc độ điều biến phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn phát LED và điều kiện
điểu khiển. Các thiết bị ở thị trường hiện nay đạt tốc độ 200 µbit/s còn thiết
bị thực nghiệm cho ELED thì cao hơn đạt 565 µbit/s đến 1,2 Gbit/s. Loại
LED phát mặt sử dụng với sơi đơn mode có ưu điểm đó là liên kết đơn giản
nhưng công suất phát ra tương đối thấp, khoảng 1,5 µW khi làm việc ở tốc độ
565 µbit/s và dải phổ rộng.
1.3 Ứng dụng
Thực tế sử dụng LED với sợi dẫn quang đơn Mode đã thu được kết
quả khá khả quan. Thực nghiệm độ dài tuyến đạt tới 9,6 Km ở tốc độ 2 Gbit/s
và 100 Km với độ 16 µbit/s. Độ dài tuyến bị giới hạn vì quý công suất và tán
sắc gây ra do độ rộng phổ của LED. Tuy nhiên, các tuyến thông tin trên thực
SV: Tạ Ngọc Hải
21
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội

tế thì sự sai số về công nghệ chế tạo cũng như sự thay đổi nhiệt độ đối với
bước sóng trung tâm của LED thì không thể bỏ qua được. Ngoài ra độ rộng
phổ cho tán sắc sợi, sự thay đổi suy hao cũng ảnh hưởng đến tuyến thông tin.
1.4 Bảng các đặc tính ELED tiêu biểu
- Công suất ra đối với sợi đơn Mode SMF
(25
0
C, dòng điều khiển 150 mA)
- Thời gian lên/xuống
- Độ rộng phổ nửa công suất (25
0
)
- Hệ số nhiệt độ công suất đầu ra
- Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo t
0
- Độ giãn phổ
2 ÷ 10 µW
3 ns max
80 ÷100 nm
1,2% /
0
C
0,5 ÷ 0,8 nm/
0
C
0,4 nm/
0
C
1.5 Điôt Laser
Điôt Laser có nhiều dạng với đủ mọi kích thước từ nhỏ như hạt thóc

đến rất lớn. Chúng có ở dạng khí, lỏng, tinh thể hoặc bán dẫn. Đối với các hệ
thống thông tin quang chủ yếu dùng Laser bán dẫn và thường là điot Laser
(LD). Về cơ bản nguyên lý hoạt động của các loại Laser là như nhau thông
qua ba quá trình mấu chốt, đó là hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ
kích thích. Với năng lượng trạng thái nếu là E
1
và E
2
là năng lượng trạng thái
kích thích theo định luật Plank thì sự chuyển dịch giữa hai trạng thái này có
liên quan đến quá trình hấp thụ hoặc phát xạ của các photon có năng lượng
hv
12
= E
2
- E
1
.
SV: Tạ Ngọc Hải
22
hv
12
E
2
E
1
hv
12
hv
12

E
2
E
1
E
2
E
1
(Phát xạ kích thích)(Phát xạ tự phát)
(Hấp thụ)
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Cấu trúc dựa vào mục đích đó là làm hạn chế các mode bên để có được
quá trình phát Laser ổn định, đảm bảo dòng ngưỡng tương đối nhỏ.
Cấu trúc thứ nhất là có một dải điện cực với độ rộng nhỏ hơn 8 µm được
đặt dọc theo chiều dài của điôt laser. Sự phun các điện tử vào lỗ trống vào
thiết bị làm thay đổi trực tiếp chỉ số chiết suất của lớp tích cực ở dưới dải.
Loại này được gọi là Laser điều khiển khuếch đại (GGL). Ưu điểm là có thể
phát công suất lớn trên 100 mW nhưng lại rất không ổn định và có tính
Astimatic cao.
Các cấu trúc tiếp theo có tính ổn định hơn. Các loại này cấu tạo theo
hướng bên. Sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của vật liệu khác nhau trong
cấu trúc này sẽ điều khiển các Mode bên trong Laser. Nên các thiết bị này
gọi là các Laser điều khiển chiết suất (IGL). Nếu như Laser điều khiển chiết
suất riêng chỉ cho mode ngang cơ bản hoặc mode dọc cơ bản thì được gọi là
laser đơn mode.
SV: Tạ Ngọc Hải
23
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Các mode và điều kiện ngưỡng của điot laser. Sự bức xạ quang trong hốc
cộng hưởng của Hình: Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo

hướng bên điot laser đã tạo nên một mẫu vạch trường điện và từ được gọi là
các mode của hốc cộng hưởng. Các mode này có thể chia ra hai tập hợp
mode độc lập là các mode điện ngang (TE) và các mode trường ngang (TM).
Các điot laser đơn mode: để xây dựng hệ thống thông tin quang trong
mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền xa, ta cần sử dụng các loại
điot laser có độ rộng phổ hẹp, đó chính là các laser đơn mode. Các laser này
chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn.
SV: Tạ Ngọc Hải
24
Vùng chiết
suất thấp
Vùng chiết
suất cao
Vùng chiết
suất cao
Suy hao
Vùng tích
cực
Dải kim
loại
Cổng phát
-20
0
0
0

20
0
-10
0

0
0
10
0
-10
0
0
0
10
0
Báo cáo thực tập Viện đại học mở Hà Nội
Điều biến tần số cao có hai phương pháp nhằm thay đổi công suất quang
đầu ra là điều biến xung dùng cho các hệ thống thông tin truyền dẫn tín hiệu
analog. Một trong những ưu điểm có ý nghĩa nhất của laser bán dẫn là nó có
thể điều biến trực tiếp nhờ thay đổi dòng cấp cho laser. Điôt laser có thời
gian đáp ứng nhanh cho nên cho phép thực hiện điều biến ở tần số rất cao.
Tần số điều biên bị giới hạn bởi hai cơ chế. Trước hết đó là giới hạn điện tử
do các phần tử tạp ký sinh. Nó được nói tới cho những điện tử nối tiếp và
điện dung song song có trong dây dẫn kim loại. Cơ chế thứ hai cơ bản hơn có
liên quan đến đặc tính động của laser làm nảy sinh tần số cộng hưởng trong
dải GHZ. Tần số này tỷ lệ với căn bậc hai công suất đầu ra.
Các ảnh hưởng của nhiệt độ chủ yếu là sự phụ thuộc vào nhiệt của dòng
ngưỡng I
cb
(T). Dòng ngưỡng này sẽ tăng theo nhiệt độ trong tất cả các loại
laser bán dẫn do nhiều các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ rắc rối gây ra.

SV: Tạ Ngọc Hải
25