Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản

Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
TRƯỜNG ĐHKTCN THÁI NGUYÊN
---------------------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MễN H ỌC
THễNG TIN QUANG
Họ và tờn sinh viờn: ......................................................................
..MSSV: ........................................................
Ngành:…………………………………………………………... Khoỏ: ..2004 –
2009……………………….
Giảng viên hướng dẫn:.Th.S. Đào Huy Du
Giảng viờn nhận
xột: ..............................................................................................................................................
...
1. Nội dung đồ án:
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
................................................................................................
2. Nhận xột của giảng viờn:
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
1

Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
..........................................................................
Ngày tháng năm
Giảng viờn nhận xột
Mục lục Trang
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………...6
Chương 1 CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG……………………………………7
1.1. Lịch sử phát triển…………………………………………………………7
1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản…………………………9
1.3. Ưu điểm của thông tin quang………………………………………........11
Chương2 SỢI QUANG……………………………………………………....12
2.1. Những ứng dụng của sợi quang………………………………………….12
2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang………………………………………..13
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang………………………………………14
2.3.1. Phổ của sóng điện từ………………………………………………14
2.3.2. Chiết suất của môi trường…………………………………………17
2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần…………………………..17
2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang…………………………………18
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung……………………………………….18
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang…………………………...20
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
2
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang

2.5. Phân loại sợi quang……………………………………………………...23
2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)
…………………………………………………………………………...24
2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index)………24
2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)…..25
2.5.2. Các dạng chiết suất khác:…………………………………………..26
2.5.3. Sợi đa mode và đơn mode………………………………………….27
2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):…………………………….27
2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):…………………………...28
2.6.Các thông số của sợi quang………………………………………………29
2.6.1. Suy hao của sợi quang:……………………………………………..29
2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:……………………...31
2.6.2.1. Suy hao do hấp thụ:…………………………………………..31
2.6.2.2.Suy hao do tán xạ:…………………………………………….32
2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong…………………………………...33
2.6.2.4.Một số suy hao khác………………………………………….34
2.6.2.5. Đặc tuyến suy hao…………………………………………....35
2.6.3.Tán sắc (Dispersion)………………………………………………..36
2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc……………………………………38
2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)……………………………38
2.6.4.2.Tán sắc vật liệu……………………………………………….40
2.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng:……………………...41
2.6.4.4..Độ tán sắc tổng cộng………………………………………...42
2.6.4.5. Tán sắc bậc cao…………………………………………….…43
2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực………………………………………..43
2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt……………………….45
2.6.5.Dải thông của sợi quang……………………………………………..46
2.6.6. Bước sóng cắt……………………………………………………….48
2.6.7. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter)…………...48
2.7.Cấu trúc sợi quang……………………………………………………….49

2.7.1. Cấu trúc của sợi quang………………………………………………49
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
3
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
2.7.1.1.Lớp phủ………………………………………………………...50
2.7.1.2.Lớp vỏ………………………………………………………….50
2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang…………………………………………...52
2.8. Các phương pháp chế tạo sợi quang……………………………………..53
2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi…………………………………………………...53
2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang………………………………….54
2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi……………………………………54
2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển………………………………….54
2.8.3.2.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible)…………………….55
2.8.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất………………………………….56
2.8.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition- CVD)
……………………………………………………..56
2.8.3.3.2.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour
Deposition- PCVD)…………………………………58
2.8.3.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour
Deposition- OCVD)……………………………….59
2.8.3.3.4.Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition-
VAD)…………………………………………………….59
2.8.4.Quỏ trỡnh kộo sợi…………………………………………………...59
2.8.5. Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới…………………………………...60
2.9. Hàn nối sợi quang……………………………………………………….61
2.9.1. Yêu cầu kỹ thuật ……………………………………………………61
2.9.2.Các phương pháp hàn nối sợi quang…………………………………62
2.9.2.1. Phương pháp dùng keo dính………………………………...…62
2.9.2.2.Phương pháp dùng hồ quang…………………………………...63
2.9.3.Bảo vệ mối nối………………………………………………………..65

Chương 3 CÁP QUANG…………………………………………………...67
3.1. Tổng quan……………………………………………………………….67
3.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang ……………………………...67
3.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang……………………………………...67
3.2. Cấu trúc cáp quang…………………………………………………...….68
3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang……………………………………69
3.2.1.1.Phần lõi………………………………………………………...70
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
4
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
3.2.1.2.Vỏ cáp……………………………………………………….…73
3.3.Phân loại cáp quang:…………………………………………………..…74
3.3.1. Phân loại theo cấu trúc:……………………………………………...74
3.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng……………………………………75
3.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt……………………………………..75
3.3.3.1.Cáp treo………………………………………………………...76
3.3.3.2.Cáp đặt trong cống…………………………………………..…76
3.3.3.3. Cáp chôn trực tiếp……………………………………………..77
3.3.3.4.Cáp đặt trong nhà………………………………………………78
3.3.3.5. Cáp ngập nước và thả biển…………………………………….78
3.4. Mã màu trong cáp…………………………………………………….…79
3.5. Đo thử cáp quang và đo bảo dưỡng……………………………………...81
3.5.1.Khái quát……………………………………………………………..81
3.5.2. Mục đích của đo thử…………………………………………………82
3.5.3.Đo thử bảo dưỡng………………………………………………….…83
3.6.Các biện pháp bảo vệ cáp quang…………………………………………84
3.6.1. Độ chôn sâu cáp……………………………………………………..84
3.6.2. Chống mối và chống chuột………………………………………….86
3.6.3. Chống ảnh hưởng của sét……………………………………………86
Tài Liệu Tham Khảo…………………………………………………….…87

Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
5
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện này các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu hết cỏc tuyến truyền dẫn quan
trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả
nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng
nổ thông tin, mạng truyền dẫn đũi hỏi phải cú sự phỏt triển mạnh về cả quy mụ và trỡnh độ
công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thông tin quang.
Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, độ tin
cậy cao…
Trong toàn bộ hệ thống thụng tin quang phần không thể thiếu được chính là Cỏp Sợi
Quang. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống khác một phần chính
là nhờ môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.
Vỡ vậy, em đó chọn đề tài Cỏp Sợi Quang làm đồ án nghiên cứu giúp em tỡm
hiểu sâu hơn .
Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thõn cú hạn chớnh vỡ vậy đồ án của em
không thể tránh được những thiếu sót. Nên em mong các thầy cô trong bộ môn và các bạn
trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài sâu hơn và phát triển đồ án ở mức cao
hơn nữa.
Trong quỏ trỡnh làm bài, em đó được nhận được sự hướng dẫn chi tiết của thầy Đào
Huy Du và góp ý của cỏc bạn trong lớp. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh Viờn
Lương Xuân Trường
Chương 1
CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
6
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ
nơi này đến nơi khác.Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm Km, hàng trục ngàn Km
hoặc xuyên qua các đại dương.Thông tin có thể truyền qua các sóng điện với các dải tần số
khác nhau.
Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các
sợi quang để truyền tin. Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc
hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thế giới.
1.1. Lịch sử phát triển
Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa con người
với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết định góp phần thúc đẩy
sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn minh của nhân loại .
Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử dụng môi
trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và không gian.Thì việc sử dụng
ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng được khai thác có hiệu quả . Cùng với
thời gian thông tin quang đã phát triển và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử như
sau:
-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm
một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vượt qua chặng đường 200km
trong vòng 15 phút .
-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được
theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều vẫn được áp dụng trong
thông tin quang hiện nay .
-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin
Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí . Nhưng
chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang.
Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triển
Laser

Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
7
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là phải tìm
môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm
Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng. Nhưng do
công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng
1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ
hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn khoảng 0,2
[dB/km] ở bước sóng 1550nm.
1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản
Theo sơ đồ hệ thống ta có:
- Nguồn tín hiệu thông tin: là dạng thông tin thông thường là hình ảnh , tiếng nói ,
fax...hay còn là tín hiệu đầu vào.
- Phần tử điện: là phần chung của hệ thống, để xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu điện đưa vào
hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu Alalog hoặc Digtal
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
8
Sợi quang
Trạm lặp
E
O
O

E
Nguôn
tín
hiệu.
Phần
tử
điện.
Phần
tử
điện.
O
E
E
O
Biến đổi
điện-quang
Biến đổi
sợi quang
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
- Bộ biến đổi E/O: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang
với các mức tín hiệu điện được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện ‘0’và
‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘không’ và ‘có’.
Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện quang thực
chất là các linh kiện phát quang như LED,Laser diode...
- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được điều biến, nó có
vai trò như kênh truyền dẫn.
- Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi
trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu đã phát đi, nó có vai trò như bộ giải điều chế.
-Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, tín hiệ trên
đường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn ra do nhiều nguyên nhân

khác nhau. Vì vậy, để truyền được đi xa cần có trạm lặp. Hiện nay chưa thực hiện được
khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bước
sau:
+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện.
+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang
để tiếp tục phát đi.
- Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ
thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần số rất cao (10
14
-10
15
Hz) do vậy tải
tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng.
- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đại
lượng:
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được
+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp
Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly trạm lặp rất
lớn. Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống điện ở cả 2 yêu cầu
trên. Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố liên quan như:
+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
9
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang
+ Độ nhạy của máy thu quang
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến

1.3. Ưu điểm của thông tin quang

So với hệ thống thông tin điện tử thì hệ thống thông tin quang có những ưu điểm hơn
hẳn đó là những ưu điểm cơ bản như sau:
1. Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm được trạm lặp , kéo dài được cự ly truyền dẫn,
cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí
xây dựng mạng nên
2. Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng được thuê bao dịch vụ dải rộng .
3. Sợi quang: được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp
nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền. Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhỏ, không có
xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong .
4. Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt và bảo dưỡng.
Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy.
5. Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài
(như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ...) dẫn đến tính bảo
mật thông tin cao, không bị nghe trộm. Nó được sử dụng tại những nơi có nhiễu điện từ
mạnh như trong các nhà máy, nàh máy điện…mà không cần phải che chắn điện từ.
6. Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một số lượng
lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại.
7. Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thông tin trên sợi quang là rất khó
khăn.
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang có một số hạn chế như:
+ Khó khăn trong việc ghép nối,
+ Không sử dụng được trong vùng bị chiếu xạ
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
10
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Chính vì có những ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được sử dụng rộng
rãi trên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia. Chúng được xây dựng làm các tuyến
đường trục, trung kế, liên tỉnh. Tại Việt Nam cáp quang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền
dẫn đường dài liên tỉnh dùng cáp ngầm.
Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyền dẫn và cấu hình

linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lưới viễn thông.
Chương2
SỢI QUANG
2.1. Những ứng dụng của sợi quang
Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn
quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế
giới. Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lượng kênh truyền,
tính kinh tế,…mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến
xuyên đường trục avf các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương. Công nghệ nagỳ nay đã
tạo ra thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất.
Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn giản việc tăng
chiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ
làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần. Chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống
này sẽ được cải thiện một cách đáng kể.
Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng, các tuyến cáp
quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội – Hồ Chí Minh chiếm một vị trí
quan trọng trong thông tin toàn quốc.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
11
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến đường trục cáp
quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt.
* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:
- Mạng đường trục xuyên quốc gia.
- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực.
- Đường trung kế
- Đường cáp thả biển liên quốc gia
- Đường truyền số liệu, mạng LAN
- Mạng truyền hình
2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang

So với dây kim loại sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là:
- Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm được số trạm tiếp
vận
- Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
- Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hưởng của sấm sét
- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ
- Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể
- Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
- Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng dung lượng
và cự ly.
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang
Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng. Trong phần
này, 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. Ba vấn đề sau sẽ là cơ
sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thông tin quang:
1. Phổ của sóng điện từ
2. Chiết suất của môi trường
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
12
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
3. Hiện tượng phản xạ toàn phần
2.3.1. Phổ của sóng điện từ
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng
hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng. Đặc trưng cơ bản của
các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động
điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được sinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng. Hai đại
lượng tần số và bước sóng tỷ lệ với nhau theo công thức:
C(m/s)=λ(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f
Trong đó :

C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.10
8
m/s ]
H là hằng số Planck [ h=6,25.10
-34
J/s ]
Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ
800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm.
Hình 2.1: Các bước sóng trong thông tin quang
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
13
Tia tö
ngo¹i
Tia
R¬nghe n
Tia
Gamma
Tia
Vò trô
T ia hång
ngo¹i
Tia v«
tuyÕ n
1,6
1,5
1,4 1,3 1,2 1,1 1 900 800 700
600
500
400
µ

m
§á
TÝm
¸
nh s¸nh trong th«ng tin quang
¸
nh s¸ng
nh×n thÊy ®­îc
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Hình 2.2. Tần số và bước sóng dùng trong Thông tin quang
Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng lớn thì độ suy
hao càng lớn. Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình 2-7) và đặc biệt ở bước sóng
1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km. Như vậy là vấn đề suy hao được giải quyết nên ở
ba bước sóng đó hiện nay đang được dùng rộng rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
14
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Cùng đó ta đã khai thác thêm được các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời
khai thác được các ưu điểm của cáp sợi quang.
2.3.2. Chiết suất của môi trường
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân
không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy.
V
C
n
=
trong đó : n : Chiết suất của môi trường
V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường
Mà C ≥ V nên n ≥ 1.
Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó.

2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n
1
sang môi trường thứ hai có
chiết suất n
2
(n
1
<n
2
) như hình vẽ sau:
Hình 2.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
15
n
1
β
1
n
2
n
1
2
2
1
α
T
α
P
n

2
P
α
T
2
Vùng phản xạ to n phà ần
a) (b)
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc α,
khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P ở một góc β.
Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:
n
1
.sinα
t
= n
2
.sinβ
Khi tia tới đạt tới góc α thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân cách giữa hai môi
trường. Tức là góc khúc xạ β
t
= 90
0
.
Suy ra: Sin α
t
=
2
1
n

n
Góc α
t
được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết
suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc α >α
t
thì tia phản xạ tại mặt phân cách trở lại
môi trường 1.
Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n
1
) sang môi trường kém chiết
quang hơn (n
2
) .Hay là Chiết suất n
1
> n
2
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core)
bằng thuỷ tinh có chiết suất n
1
và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n
2
với
n
1
> n

2
ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt
tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc.

Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:
+ Chiết suất n
1
> n
2
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
16
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n
1
> n
2
. Vậy chỉ còn điều kiện là
góc tới α
t
phải lớn hơn góc tới hạn α
th
(α
t
>α
th
). Nên người ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu
độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi.
Áp dụng công thức : Snelious để tính N:
n

0
Sinα
th
=n
1
.Sinβ. (n
0
=1 : chiết suất của không khí)
⇒ 1.Sinα
th
=n
1
.Sinβ=n
1
Cosα
1
.
(Sinβ=Sin(90
0
-α
t
)=Cosα
t
)
∆=−=α=⇒
−=−=α⇒
−=α−=α
2.nnnSinNA
nn
n

n
1.nSin
n
n
1Sin1Cos
1
2
1
2
2th
2
1
2
2
2
1
2
2
1th
2
1
2
2
t
2
t
Với
2
1
2

2
2
1
n.2
nn
−
=∆
gọi là độ lệch chiết suất tương đối
Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa nguồn
sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở
∆=α
2.narcsin
1th
.
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang
Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực của các quá
trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng. Một mode được hiểu là một trạng
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
17
n
0
n
2
n
1
α
th
α
t
β

Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng và số lượng các mode có quan
hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi
quang.
Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp. Mode vỏ với
tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên. Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng
vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ
tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay. Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn
trong ruột sợi và các mode lan truyền có những đặc tính sau :
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng.
- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng.
Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn λ
g
sao cho các bước sóng của các mode đều
phải tuân theo điều kiện λ > λ
g
.
Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số d
k
/λ nên d
k
lớn hơn λ
nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi d
k
rất nhỏ thì chỉ có một mode cơ bản được
truyền qua (sợi đơn mode). Người ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số
chuẩn hoá:
∆
α

π
=
.2.
n.d.
V
1k
Với sợi SI, nếu V<2,405 thì người ta có đơn mode, ngược lại là sợi mode. Còn sợi
GI, nếu V<3,518 có sợi đơn mode, V>3,518 ta có sợi đa mode.
Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền sóng. Và các
mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng. Tuy nhiên việc lập và giải
phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là dùng phương pháp quang hình học xem
xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc của sợi.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
18
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn mode(c)
Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau nên sợi
chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau
và có một mode chạy song song trục có quãng đường đi ngắn nhất (c). Ánh sáng lan truyền
trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải
nằm trong một hình nón có nửa góc mở α
th
Sợi SI có
2
2
2
1
1k
th
nn..2

405,2
n.d.M
arcsin
−∆=α
Sợi GI có
2
1th
)
a
r
(1..2.narcsin
−∆=α
Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinα
th
Như vậy sợi SI có
∆=−=
.2.nnnNA
1
2
2
2
1
Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2÷0,37.
Còn sợi GI có
2
1
)
a
r
(1.nNA

−=
Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại tâm lõi có độ
mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
19
n
2
n
1
θ
max
θ
max
1
2
3
b)
a)
1
3
2
c)
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đã chứng
minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng tần truyền dẫn của
sợi bị thu hẹp lại.
Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả
các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan truyền đến cuối sợi. Do
bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện tượng giao thoa.
Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một sóng khác,

hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì
sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode.
Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường
độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định.
Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi điều
biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rất nhiều tải tin,
mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định.
2.5. Phân loại sợi quang
Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà phân biệt thành
các lại sợi khác nhau.
Danh mục Loại sợi
Phân loại sợi 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 mode
- Sợi đa mode
Phân loại theo cấu trúc vật liệu
- Sợi thuỷ tinh
- Sợi chất dẻo
- Sợi thuỷ tinh đa thành phần
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
20
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
Phân loại dựa theo các chức năng đặc
biệt
- Sợi lỗ không khí
- Sợi duy trì phân cực
2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)
2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác
nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với
góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau
Hình 2.5. Sợi SI (Step-Index)
Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
21
1
n
C
V =
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
- Số lượng mode truyền M ≈ V
2
/2 trong đó V = 2π.a.NA/λ
- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng thông tin của
sợi.
Ở đây n
1
không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ
khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung
ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiên
tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly
dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần
2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách
liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần.
Hình 2.6 : Sợi GI ( Građe - Index)
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
22

Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
- Mặt cắt chiết suất:


Trong đó :a - bán kính lõi, α là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết suất trong lõi,
α = 2 tơng ứng với mặt cắt parabol.
- Khẩu độ số:

- Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia nghiêng hoặc
tia xoắn
- Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đờng cong hình sin do bị đổi hớng liên tục khi
truyền trong sợi.
Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền
cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng lại có vận tốc
truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có
vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở
trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi
của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc
của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.
2.5.2.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 đấp ứng các yêu cầu đặc biệt:
a.Dạng giảm chiết suất lớp bọc:
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều
tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết
suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n
1
không
cao.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:

23
[ ]



≥=∆−
<∆−
=
ar ;)1(
ar ;)/(1
)(
21
1
nn
arn
rn
α
α
)/(1)()(
max
2
2
2
arNAnrnrNA
−=−=
∆=
2
1max
nNA
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang

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 độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng
chiết suất như hình vẽ:


c) Dạng san bằng tán sắc:
Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng
hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết
suất như hình vẽ:
Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế.
2.5.3. Sợi đa mode và đơn mode
2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):
Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lan
truyền cho phép).
Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là:
- Đường kính lõi: d = 2a = 50µm
- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm
- Độ chênh lệch chiết suất: ∆= 0,01 = 1%
- Chiết suất lớn nhất của lõi: n
1
=1,46
Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần.
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
24
Trêng §HKT C«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn §å ¸n Th«ng tin quang
2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):
Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kín lõi và

sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi. Kích thước đường kính lõi sợi
khoảng vìa bước sóng.Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường
truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc.
Đặc điểm của sợi đơn mode:
- Mặt cắt chiết suất thờng có dạng SI
- Kích thớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ
- Sợi chỉ truyền một mode
- Không có tán sắc mode
- Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng
- Điều kiện đơn mode V < 2,405
Sinh viªn: L¬ng Xu©n Trêng –Líp K40§VT Email:
25
9µm
125µm
n
1
n
2
∆=0,3%
%1
1
21
=
−
=∆
n
nn
125µm
n
2

n
1
n
2
n
1
125µm
Sợi SI - MM Sợi GI - MM
50µm 50µm