LUẬN văn sư PHẠM vật lý hệ THỐNG THÔNG TIN QUANG và CÔNG NGHỆ FTTH ở VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
VÀ CÔNG NGHỆ FTTH Ở VIỆT NAM
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Phan Văn Triệu
Mã số SV: 1090295
Lớp: Sư phạm Vật Lý – Tinhọc
Khóa: 35

Cần Thơ, Năm 2013


ờ

ả

ơ

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn
này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn quý báu của

các thầy cô, các anh chị, các bạn và các em. Với
lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được
bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
ThS.GVC.Hoàng Xuân Dinh, người đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn
thành tốt luận văn này.
Quý Thầy, Cô trường ĐH Cần Thơ đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức,
kĩ năng và phương pháp sư phạm trong thời
gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè những người xung
quanh đã ủng hộ, chia sẻ cho tôi những kinh
nghiệm để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn ông bà, cha mẹ, và các
anh chị em đã luôn ở bên cạnh động viên và
giúp đỡ tôi học tập làm việc và hoàn thành
luận văn.
Vì thời gian nghiên cứu có hạn và kinh nghiệm
bản thân còn hạn chế nên đề tài không thể tránh
khỏi thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của
thầy cô và các bạn.
Trân trọng!
SVTH
Phan Văn Triệu


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .........................................................................................1

2.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.....................................................................................1

3.

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................1

4.

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ..........................................1

5.

CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .......................................................................2

Phần NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG .............................. 3
1.1. SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG .........................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang ..............................................3
1.1.2. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang.............................................................4
1.1.3. Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang ............................5
1.1.3.1. Những ứng dụng của sợi quang .....................................................................5
1.1.3.2. Ưu điểm..........................................................................................................6

1.1.3.3. Nhược điểm ....................................................................................................6
1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ....................7
1.2.1. Lý thuyết chung về quang dẫn .........................................................................7
1.2.1.1. Cơ sở quang học .............................................................................................7
1.2.1.2. Cấu trúc sợi quang .........................................................................................9
1.2.1.3. Lớp phủ ..........................................................................................................9
1.2.1.4. Lớp vỏ ..........................................................................................................10
1.2.1.4.1. Dạng ống đệm lỏng ....................................................................................10
1.2.1.4.2. Dạng đệm khít ............................................................................................ 11
1.2.1.4.3. Dạng băng dẹt ............................................................................................ 11
1.2.2. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang .................................................12
1.2.2.1. Dạng giảm chiết suất lớp vỏ bọc ..................................................................14
1.2.2.2. Dạng dịch độ tán sắc ....................................................................................14
1.2.2.3. Dạng san bằng tán sắc ..................................................................................14
1.2.3. Phân loại sợi quang ........................................................................................15
1.2.3.1. Các loại sợi đơn mode và đa mode .............................................................. 15
1.2.3.1.1. Đặc điểm của sợi đa mode .........................................................................15
1.2.3.1.2. Đặc điểm của sợi đơn mode .......................................................................15
SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

1.2.4. Kích thước sợi và vật liệu chế tạo sợi quang .................................................16
1.2.5. Các nguyên nhân gây suy hao ........................................................................17
1.2.5.1. Suy hao do hấp thụ .......................................................................................18

1.2.5.2. Suy hao do uốn cong ....................................................................................19
1.2.5.3. Suy hao do tán xạ của sợi quang ..................................................................20
1.2.6. Các linh kiện biến đổi quan ............................................................................20
1.2.6.1. Khái niệm chung về biến đổi quang ............................................................ 20
1.2.6.2. Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang ............................................21
1.2.6.2.1. Đối với nguồn quang .................................................................................21
1.2.6.2.2. Đối với linh kiện tách sóng quang ............................................................. 21
1.2.6.2.3. Nguyên lý chung ........................................................................................21
1.2.6.3. Nguồn quang ................................................................................................ 23
1.2.6.3.1. Nguyên lý chung ........................................................................................23
1.2.6.3.2. Diode LED .................................................................................................23
1.2.6.3.3. Diot LESER (LD) ......................................................................................25
1.2.6.4. Tách sóng quang ..........................................................................................26
1.2.7. Hàn nối cáp quang và bảo vệ mối hàn ...........................................................27
1.2.7.1. Hàn nối cáp quang........................................................................................27
1.2.7.2. Bảo vệ mối hàn ............................................................................................ 30
1.2.7.2.1. Măng xông cáp ...........................................................................................30
1.2.7.2.2. Khay hàng ..................................................................................................30
1.2.8. Hệ thống thông tin quang ...............................................................................30
1.2.8.1. Khái niệm .....................................................................................................30
1.2.8.2. Cấu trúc hệ thống thông tin quang ............................................................... 31
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................................34
2.2. NGUỒN GỐC SỰ RA ĐỜI CỦA MẠNG FFTX .............................................34
2.2.2.1. Công nghệ xDSL ..........................................................................................35
2.2.2.2. Wifi và Wimax. ...........................................................................................35
2.2.2.3. Cáp truyền hình. ...........................................................................................36
2.3. KIẾN TRÚC MẠNG FTTX ..............................................................................36
2.3.1.1. Định nghĩa ....................................................................................................36
2.3.1.2. Phân loại .......................................................................................................36
2.3.1.2.1. Theo cấu hình Point to Point .....................................................................36

2.3.1.2.2. Theo cấu hình Point to multi-Point ..........................................................37
SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

2.3.2.1. FTTB và FTTO (Fiber to the Building và Fiber to the Office) .................37
2.3.2.2. FTTH (Fiber to the home ) ..........................................................................38
2.3.2.3. FTTC và FTTCab (Fiber to the Curb ) .......................................................39
2.4. CÔNG NGHỆ FTTH TẠI VIỆT NAM ............................................................. 40
2.5. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠNG FTTH ......................................................42
Phần KẾT LUẬN ...............................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................46

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Khoa học và công nghệ đã và đang phát triển từng ngày, từng giờ, đặc biệt là trong

lĩnh vực công nghệ thông tin. Thông tin ngày càng phát triển thì lượng thông tin cần phải
truyền tải càng nhiều và độ bảo mật thông tin càng phải được nâng lên. Trước đây, dùng
cáp đồng để truyền tải thông tin qua tín hiệu analog là phương thức truyền tải thông tin
chủ yếu. Cách truyền tải tín hiệu này có tốc độ tương đối cao nhưng độ bảo mật còn thấp.
Trong khi đó, truyền tải thông tin bằng cáp quang không chỉ đảm bảo được tốc độ truyền
tải nhanh lẫn độ bảo mật cao mà còn lại rất tiết kiệm. Vì những ưu điểm trên, cáp quang,
một phương tiện truyền tải thông tin mới đã trở thành một trong những đề tài nghiên cứu
cấp thiết. Hơn nữa, ngày nay Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người
ở khắp mọi nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng,
nhanh chóng. Các ứng dụng, dịch vụ cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc
độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn hàng đầu với FTTH
(Fiber To Home) là một điển hình. Chính vì những lí do trên, đề tài “HỆ THỐNG THÔNG
TIN QUANG VÀ CÔNG NGHỆ FTTH Ở VIỆT NAM” được tiến hành nghiên cứu nhằm
cung cấp những kiến thức khoa học cơ bản về cách truyền tải thông tin bằng cáp quang
cùng với tình hình sử dụng cáp quang hiện nay ở Việt Nam, đặc biệt là kiến trúc mạng
FTTH, qua đó để lại một nền tảng lý thuyết tin cậy và khả dụng cho những nghiên cứu về
sau cũng như góp phần thúc đẩy hoàn thiện đầu tư vào mạng lưới cáp quang của Việt Nam.
Bên cạnh đó, với niềm say mê khoa học và khao khát chinh phục thách thức của bản thân,
nghiên cứu này hứa hẹn sẽ hoàn thiện bản thân người nghiên cứu, đồng thời phục vụ cho
công tác giảng dạy sau này.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang và công nghệ FTTH ở Việt Nam. Thông qua
nghiên cứu về lịch sử hình thành của hệ thống thông tin quang, cơ sở quang học, các
nguyên nhân gây suy hao của sợi quang, các linh kiện biến đổi quang, các cách hàn nối
nối cáp quang, từ đó hình thành thế nào là một hệ thống thông tin quang. Bên cạnh đó đề
tài còn nghiên cứu thế nào là mạng FTTH và công nghệ FTTH ở Việt Nam hiện nay, các
ưu và nhược điểm của công nghệ FTTH.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “Hệ thống thông tin quang và công nghệ FTTH ở Việt Nam” là một đề tài
lớn đòi hỏi phải nghiên cứu trên cả lí thuyết và cả thực nghiệm. Tuy nhiên ở đây tôi chủ
yếu nghiên cứu về lí thuyết, được thực hiện trên cơ sở tổng hợp thông tin về “Hệ thống
thông tin quang và công nghệ FTTH ở Việt Nam” trên sách, báo và các tài liệu từ mạng
internet.
1

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình bằng phương
pháp: Tổng hợp lí thuyết về hệ thống thông tin quang: lịch sử phát triển, cấu trúc của sợi
quang, các linh kiện biến đổi quang; kiến trúc mạng FTTx, FTTH và công nghệ FTTH ở
Việt Nam… thông qua các tài liệu như sách, giáo trình, luận văn, tạp chí và các thông tin
từ mạng internet.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
Bước 2: Tìm các tài liệu có liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu.
Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài.
Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
Bước 5: Viết đề tài hoàn chỉnh và nộp.
Bước 6: Báo cáo luận văn.

2

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Phần NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1. SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang
Như chúng ta đã biết thông tin quang đã có từ lâu đời. Cho tới thế kỷ 18 thông tin
quang theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu,...
Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau:
Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo
quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Tốc
độ thông tin được truyền trên hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km.
Năm 1870 John Tyndall nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền
được theo ống nước uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng
dụng hiện tượng phản xạ toàn phần.
Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang,
trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí.
Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa
được sử dụng.
Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường

truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang.
Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công.
Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện.
Năm1966 Charles H. KaoVà George A. Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để
truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn(  
1000dB/km).
Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang có chiết suất bậc
với suy hao nhỏ hơn 20dB/km.
Sự nghiên cứu về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành công của
laser năm 1960. Các nhà khoa học và kĩ sư trên khắp thế giới đã tiến hành các hoạt động
nghiên cứu và phát triển công nghệ mới về độ giảm suy hao truyền dẫn, việc tăng giải
thông của các laser bán dẫn được phát triển thành công trong những năm 70. Lúc này độ
tổn thát của sợi quang giảm đến 0.18dB/km. Hơn nữa trong những năm 70 laser bán dẫn
có khả năng thực hiện dao động liên tục, tuổi thọ của nó ước lượng hơn 100 năm. Dựa trên
công nghệ sợi quang và laser bán dẫn giờ đây dữ liệu có thể truyền tải hàng trăm kilômet
bằng sợi quang có đường kính chỉ bằng sợi tóc mà không cần đến các trạm lặp…
3

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hiện nay sợi quang có độ suy hao nhỏ hơn 0,2dB/km ở bước sóng 1550nm, và có
những loại sơi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều.

1.1.2. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang (hình 1.1)

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống thông tin quang
- Theo sơ đồ hệ thống ta có:
+ Nguồn tín hiệu ban đầu: tiếng nói, fax, camera,…
+ Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống.
+ Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi 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.
+ Trạm lặp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng
(độ rộng xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy để truyền được tín hiệu
đi xa cần có trạm lặp. Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của
nguồn phát và khuếch đại tín hiệu. Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo. Khi khoảng
cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có trặm lặp.

4

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hình: 1.2 Sơ đồ khối trạm lặp
1.1.3. Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

1.1.3.1. Những ứng dụng của sợi quang
Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác:
 Ứng dụng trong lĩnh vực làm đường truyền internet.
Tốc độ không giới hạn: kết nối internet trên đường truyền cáp quang, với tốc
độ từ 64kbps tới hàng chục Gbps.
Riêng biệt và trực tiếp: kết nối trực tiếp vào cổng internet quốc gia bằng
kênh vật lí riêng.
Rất ổn định: với công nghệ đối xứng cho cả upload và download sẽ cho kết
nối internet liên tục và thông suốt 24/24.
Bảo mật: kênh truyền dẫn riêng biệt giúp giảm thiểu tấn công và xâm nhập
mạng dữ liệu qua internet.
Đa ứng dụng: với các dãi IP tĩnh được cung cấp, cùng đường truyền ổn định
tốc độ cao sẽ giúp triển khai các ứng dụng giá trị gia tăng: Website Server, Email Server,…
Linh hoạt về băng thông trong nước và quốc tế: ngoài viêc kết nối internet
ra cổng quốc tế, khách hàng có thể truy nhập internet các nước và quốc tế tùy thuộc vào
yêu cầu khách hàng.
 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế.
Sợi quang đã và đang trở thành một công cụ đặc biệt quan trọng trong phẫu
thuật, đặc biệt là phẫu thuật tim, vì nó có thể thực hiện mà không ảnh hưởng đến các mạch
máu.
Sợi quang còn được ứng dụng chụp các hình ảnh X – quang, laser mắt và
chuẩn đoán lâm sàng, thiết bị đo đạc phẫu thuật, các dụng cụ chiếu sáng.
5

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

 Ứng dụng cáp trong truyền hình cáp.
Tín hiệu được truyền trong cáp quang hạn chế được sự xâm nhập của nhiễu
và giảm thiểu được sự ảnh hưởng của thời tiết lên chất lượng tín hiệu.
Không bị ảnh hưởng của nhà cao tầng, phù hợp với các đô thị đông dân cư.
Có thể tích hợp các dịch vụ giá trị gia tăng như: thoại, internet, …
Tuy nhiên tốn nhiều chi phí, thời gian và công sức.
Chỉ phù hợp với mạng đông dân cư không phù hợp với khu vưc rộng lớn,
dân cư thưa thớt.
 Tích hợp cảm biến quang trong công nghệ đo lường.
1.1.3.2. Ưu điểm
- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm
lặp giảm.
- Sợi quang được chế tạo từ nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp
nên nguồn nguyên liệu rất rồi dào và rẻ tiền dẫn đến giảm được giá thành. Không sợ bị ăn
mòn hóa học, đảm bảo chất lượng đường truyền.
- Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ hơn cáp kim loại, đường kính
sợi quang là 0.1 mm, nhỏ hơn rất nhiều so với cáp đồng trục có đường kính 10mm.
- Sợi quang có tính bảo mật thông tin cao, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ
trường bên ngoài.
-

Tính cách điện cao, không gây chập cháy.

- Sợi quang nhỏ hơn cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uống cong. Chi phí chế tạo vật liệu
ít cáp được lắp đặt dễ dàng thuận lợi. Cáp quang hiện nay cho phép tăng nhiều kênh truyền
dẫn mà chỉ tăng kích thước cáp rất ít.
- Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện trường bên ngoài,

nên có thể sử dụng sợi quang cho các hệ thống thông tin ở những nơi có từ trường mạnh
như các nhà máy, nhà máy điện,…. mà không cần che chắn ảnh hưởng điện từ.
- Nhẹ và không ảnh hưởng bởi điện từ nên sợi quang được sử dụng trong máy
bay, tàu thủy hoặc công nghệ truyền số.
- Dùng hệ thống thông tin cáp quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại có
cùng dung lượng và cự ly. Người ta tính nếu chế tạo được 100000 km cáp /năm thì giá
thành truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của truyền dẫn bằng cáp kim loại có cùng
tốc độ.
1.1.3.3. Nhược điểm
6

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

-

Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tương thích.

-

Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao.

-

Thiết bị tốn kém.

Nhờ có những ưu nhược điểm trên nên sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi
trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác.

1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.2.1. Lý thuyết chung về quang dẫn
1.2.1.1. Cơ sở quang học
Nhiều thế hệ nhà bác học đã nghiên cứu để tìm ra bản chất của ánh sáng như:
Descarter (1556-1650) Newton (1642-1727) đã khẳng định rằng ánh sáng gồm các hạt
nhỏ. Newton đã công bố công trình về lý thuyết hạt của ánh sáng năm 1675. Song
Huyghens (1629-1695) thì khẳng định ánh sáng là một quá trình sóng. Năm 1678 ông công
bố công trình về lý thuyết sóng ánh sáng của mình.
Ngày nay, người ta công nhận ánh sáng có cả tính sóng và tính hạt, cụ thể là các hạt
photon và mang những tính chất điển hình của quá trình sóng. Các sóng ánh sáng là sóng
điện từ nên cũng lan truyền trong không gian. Khi nghiên cứu quá trình truyền dẫn ánh
sáng trên sợi quang thì dùng tính chất sóng của ánh sáng.
Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng phản xạ ánh sáng, ánh sáng
dùng trong thông tin quang nằm ở vùng hồng ngoại với bước sóng từ (800 – 1600)nm. Đặc
biệt có ba bước sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm.
-

Vận tốc ánh sáng: c=f.

Trong đó: f: tần số ánh sáng
c: vận tốc ánh sáng trong chân không
: bước sóng ánh sáng
-

Chiết suất của môi trường:

n=c/v

Trong đó:
n là chiết suất của môi trường
v là tần số ánh sáng
c là vận tốc ánh sáng trong chân không
7

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Vì v<c nên n>1
-

Sự phản xạ toàn phần

Định luật Snell: n1Sin =n2 Sin

Hình1.3: Khúc xạ ánh sáng

Hình 1.4: Phản xạ ánh sáng

Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới:
Góc phản xạ bằng góc tới (hình 1.3)

=’
*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell (hình 1.4)
n1Sin =n2 Sin
Trong đó:

n1 : chiết suất môi trường 1
n2 : chiết suất môi trường 2

Khi n1>n2 thì  >  nếu tăng  thì  cũng tăng theo và  luôn lớn hơn  khi  = 90
tức là song với mặt tiếp giáp, thì  được gọi là góc tới hạn T. Nếu tiếp tục tăng cao cho
>T thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ, hiện tượng này gọi là hiện tượng
phản xạ toàn phần.
Muốn có phản xạ toàn phần cần phải có 2 điều kiện:
8

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp
-

Chiết suất n1>n2

-

Góc tới  >T

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Người ta ứng dụng nguyên tắc này để chế tạo sợi quang.
1.2.1.2. Cấu trúc sợi quang (hình 1.5)
Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding).
Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng
và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành phần giữa lớp lõi
và lớp vỏ bọc. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang
còn được bọc thêm một vài lớp nữa.
- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primany coating).
- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating).

Hình 1.5: Cấu trúc sợi quang
1.2.1.3. Lớp phủ
Có tác dụng bảo vệ sợi quang như:
- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.
- Tránh xước gây nên vết nứt.
- Giảm ảnh hưởng vi uốn cong.
Vật liệu có thể là: polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate... chiết suất lớp phủ lớn
hơn chiết suất lớp bọc sát lõi sợi. Lớp phủ này được nhuộm màu và thêm các vòng đánh
dấu.
Thông thường đường kính lớp phủ thứ nhất là 250  m đối với sợi có đường kính lớp
9

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

bọc là 125  m.
1.2.1.4. Lớp vỏ
Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và
sự thay đổi nhiệt độ.
Lớp vỏ có ba dạng:
- Dạng ống đệm lỏng.
- Dạng đệm khít.
- Dạng băng dẹt.
Mỗi dạng có những ưu – nhược điểm khác nhau do đó nó được sử dụng trong từng
điều kiện khác nhau.
1.2.1.4.1. Dạng ống đệm lỏng
- Ống đệm lỏng thường gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di
chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng
của cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn lỏng không cần chất nhồi nhưng
với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tính chất sau:
+ Có tác dụng ngăn ẩm.
+ Có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp.
+ Đễ tẩy sạch khi cần hàn nối.
+ Khó cháy: Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các
đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. (hình
1.6)

10

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hình 1.6: Cấu trúc ống đệm
1.2.1.4.2. Dạng đệm khít (hình 1.7)
Để bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ
ôm sát. Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảm kích thước và trọng
lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng, để giảm
ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức
này gọi là cấu trúc đệm tổng hợp. Sợi quang có vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được
dùng làm cáp đặt trong nhà...

Hình 1.7: Sợi quang có vỏ đệm tổng hợp
1.2.1.4.3. Dạng băng dẹt (hình 1.8)
Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vì
11

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

một sợi. Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong
băng.

Nhược điểm: Có nhược điểm giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh
hưởng trực tiếp khi bị kéo căng.

Hình 1.8: Cấu trúc băng dẹt
1.2.2. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang (hình 1.9)
Sợi quang có cấu trúc chung bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn
hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn hơn. Chiết suất của lớp vỏ không
đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra). Sự
biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau:
[

( ) ]

r a

{
(

)

r

Trong đó:
n1: chiết suất lớn nhất của lõi
n2: chiết suất lớp bọc
 =

n1  n2
: độ chênh lệch chiết suất
n1

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất
a: bán kính lõi sợi
b: bán kính lớp vỏ
g: số mũ quyết định dạng biến thiên, g  1
Các giá trị thông dụng của g:
12

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

g = 1: dạng tam giác
g = 2: dạng parabol
g=  : dạng nhảy bậc (SI: Step-Index)

Hình 1.9: Các dạng phân bố chiết suất

- Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) (hình 1.10)
Đây là sợi quang có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ
khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang vào đầu
sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau.

Hình 1.10: Sự truyền ánh sáng trong sợ quang SI
Các tia sáng truyền trong lõi với vận tốc: v =

V
n

13

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Trong đó n không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau trên cùng một
chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu
sợi lại nhận được một xung ánh sánh rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện 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.
- Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Graded-Index) (hình 1.11)
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.

Hình 1.11: Sự truyền ánh sáng trong sợi GI
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 ngắn nhất vì
chiết suất ở trục là nhỏ nhất. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.
1.2.2.1. Dạng giảm chiết suất lớp vỏ 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 vỏ bọc
nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất  nhưng có chiết suất lõi n1 không cao.
(Hình1.12)
1.2.2.2. 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 sóng1550nm bằng cách dùng
sợi quang có dạng chiết suất như hình 1.13.
1.2.2.3. Dạng san bằng tán sắc

Với mục đích làm 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 1.14.

14

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình1.12

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hình 1.13

Hình 1.14

1.2.3. Phân loại sợi quang
Các loại sợi quang có thể chia thành nhiều cách khác nhau
Theo cấu tạo: phân chia theo kích thước ruột và vỏ, theo vật liệu sử dụng và
theo sự biến thiên chiết suất trong ruột sợi quang.
-

Theo đặc tính truyền dẫn: phân chia sợi đơn mode và sợi đa mode

Trong thực tế, người ta phân chia sao cho đơn giản và thuận tiện: đó là sợi đơn
mode và sợi đa mode.
1.2.3.1. Các loại sợi đơn mode và đa mode
1.2.3.1.1. Đặc điểm của sợi đa mode
-

Truyền dẫn đồng thời nhiều mode

- Sợi đa mode có đường kính ruột dk rất nhỏ. Nếu hiểu mode các tia sáng thành
phần được truyền dẫn thì trong sợi đa mode có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường
đi khác nhau.
1.2.3.1.2. Đặc điểm của sợi đơn mode
-

Chỉ truyền được duy nhất một mode

Trong sợi đơn mode, chỉ có một số mode là một tia chạy song song với trục
của sợi. Nếu cho vào đầu của sợi một xung rất hẹp thì ở đầu ra sợi đa mode và đơn mode
nhận được các xung nhịp biến dạng khác nhau.
Theo sự biến thiên của chiết suất bên trong ruột sợi, người ta phân chia:

-

Sợi có chiết suất bậc SI (Step Index)
15

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp
-

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Sợi có chiết suất biến thiên đều GI (Graded Index)

Trong sợi SI, chiết suất ruột n1 không thay đổi vì n1>n2 của vỏ nên tại mặt phân
cách vỏ-ruột chiết suất có bước nhảy.
Trong sợi GI, chiết suất của ruột n1 đạt giá trị lớn nhất tại tâm của ruột và giảm dần
cho đến mặt phân cách vỏ-ruột bằng giá trị n2 của vỏ.
Sợi đa mode được chế tạo là sợi SI. Như vậy có thể chia thành 3 loại:
1. Sợi đa mode chiết suất bậc SI – MN (Multi Modes)
2. Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI – MN
3. Sợi đơn mode: SI – SM (Single Mode)
Nếu muốn thay đổi chiết suất để tạo thành ruột và vỏ sợi, từ cùng thủy tinh và thạch
anh, người ta thêm hoạt chất vào như:
Cho GeO2 làm tăng chiết suất.
Cho Flourid (F) làm giảm chiết suất.
1.2.4. Kích thước sợi và vật liệu chế tạo sợi quang

- Tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia quy định và cũng
được tiêu chuẩn hóa quốc tế. Một số sợi có kích thức và vật liệu như bảng sau: (bảng 1.1)
Vật liệu ruột

dk(

Vật liệu vỏ

)

Dm(

)

Sợi đa mode
Thủy tinh thạch anh

50

Thủy tinh thạch anh

125

Thủy tinh nhiều thành
phần

50-200

Thủy tinh nhiều
thành phần

125-130

Thủy tinh thạch anh
nhiều thành phần

100-200-1000

Nhựa tổng hợp

200-380-1200

Nhựa tổng hợp

200-1000

Nhựa tổng hợp

250-1200

Sợi đơn mode
Thủy tinh thạch anh

Thủy tinh thạch anh

5-10

125

Bảng 1.1: Kích thước và vật liệu chế tạo sợi quang

16

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Bên ngoài lớp vỏ sợi còn được phủ nhiều lớp bảo vệ để khi chế tạo thành cáp có tác
dụng chống ẩm và tăng độ bền cơ học, ngăn cản các chỗ rạn nứt trên mặt vỏ sợi làm giảm
chất lượng truyền dẫn.
1.2.5. Các nguyên nhân gây suy hao
Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng
trong sợi quang.
Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cự ly với quy
luật hàm mũ tương tự như tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm mũ truyền công suất
có dạng.
=
Trong đó:

.



: công suất cự ly tính từ đầu sợi.
: công suất đầu sợi (L=0)

 : hệ số suy hao

Hình 1.15: Công suất truyền trên sợi quang
-

Suy hao của sợi quang được tính theo công thức.
A = log

Trong đó:

(dB) với P2
P1: Công suất quang đưa vào đầu sợi quang
P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang
17

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp
-

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức:
=

Trong đó:

(dB/Km)

A: Suy hao sợi quang [dB]
L: Chiều dài sợi quang [Km]

1.2.5.1. Suy hao do hấp thụ
- Sự hấp thụ kim loại: các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những
nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất kim loại trong sợi quang hấp thụ ánh
sáng thướng gặp là: Cu, Fe, Mn, Cr, Ni,…(hình 1.16)

Hình 1.16: Suy hao do hấp thụ tạp chất kim loại
- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và
bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Để có được sợi quang có độ suy hao dưới
1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ
(10-9).
- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ
ánh sáng. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộc vào bước sóng
ánh sáng truyền trong sợi quang. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm,
1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang.
(hình 1.17)

18

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hình 1.17: Suy hao do hấp thụ Ion OH
- Sự hấp thụ ở vùng cực tím và hồng ngoại: Do vùng ánh sáng cực tím và hồng
ngoại hấp thụ ánh sáng mà bản thân ánh sáng truyền trong sợi quang nằm trongvùng hồng
ngoại và cận cực tím. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng phụ thuộc vào bước sóng
ánh sáng truyền trong sợi quang. (hình 1.18)

Hình 1.18: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và vùng hồng ngoại
1.2.5.2. Suy hao do uốn cong

19

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Những chỗ uốn cong thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục, sự phân
bố thường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng
ra khỏi lõi sợi quang. (hình 1.19)

Hình 1.19: Suy hao do uốn cong
1.2.5.3. Suy hao do tán xạ của sợi quang
Khi truyền dẫn các tính hiệu digital (tín hiệu số) qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng

dãn rộng xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong trường hợp xung lân cận đè lên nhau,
không phân biệt được các xung, gây méo mó tín hiệu khi tái sinh.
Do ảnh hưởng của sợi quang, tồn tại các thời gian chạy khác nhau do các thành
phần ánh sáng phát đi đồng thời.
Khi tín hiệu digital trong miền thời gian nó sẽ gây ra sự giản rộng các xung ánh
sáng.
Khi truyền tín hiệu analog (tín hiệu xung) ở đầu thu biên độ tính hiệu bị giảm nhỏ
và có hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng thông sẽ bị giới hạn.
Phân loại
-

Tán xạ vật liệu.

-

Tán xạ mode hay tán xạ đa mode.

-

Tán xạ sợi dẫn sóng.

1.2.6. Các linh kiện biến đổi quang
1.2.6.1. Khái niệm chung về biến đổi quang
20

SVTH: Phan Văn Triệu

SP Vật lý – Tin học K35