Giới thiệu về hệ thống thông tin quang

Lời nói đầu
Trong thời kỳ hiện nay, việc đáp ứng nhu cầu về thông tin cho xà hội
là điều rất cần thiết và quan trọng. Ngày nay các phơng tiện thông tin đang
phát triển ngày càng trở lên hiện đại đà giúp cho việc giao lu thông tin văn
hoá, kỹ thuật, kinh tế, quân sự ngày cang đa dạng về hình thức, phong phú về
nội dung, chất lợng, kinh tế về giá cả. Bên cạnh những thiết bị tiên tiến đó,
để thoả mÃn nhu cầu về dung lợng lớn, thời gian phát và nhận tin nhanh, chất
lợng thông tin bảo đảm thì việc lựa chọn và tìm kiếm một môi trờng ttruyền
dẫn là điều rất cần thiết.
Chúng ta đà và đang sử dụng một số loại hình truyền dẫn thông tin nh: cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba mỗi loại đều có những mỗi loại đều có những u điểm,
nhợc điểm riêng mà chúng ta khó có thể khác phục đợc.
Với những u điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn ở
các dạng thông tin cần thiết dới dạng tín hiệu số, cự ly truyền thông tin đi đợc xa, không chịu ảnh hởng của các nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật
thông tin cao mỗi loại đều có những hệ thông thông tin quang đ ợc coi là có nhiều tiềm năng phát
triển nhất trong mạng viễn thông.
Qua tìm hiểu về hệ thống thông tin quang, báo cáo thực tập tốt nghiệp
này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống thông tin
quang.
Với điều kiện còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian thực hiện bài
báo cáo, tìm hiểu về hệ thống thông tin quang mét lÜnh vùc hÕt søc réng lín
kh«ng cã nhiỊu. Chắc chắn trong bài viết của em không tránh khỏi những sai
sót. Em mong rằng sẽ nhận đợc sự góp ý của các thầy cô khoa Điện tử - Viễn
thông trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội để em có thể viết và có thể thực
hiện trong đồ án hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Thành Công đà tận tình hớng
dẫn em thực hiện bài báo cáo thực tập này với tất cả tấm lòng trân trọng nhất.
Chơng I :

Giới thiệu về hệ thống thông tin quang
I. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đà mở ra

một thời kỳ mới có ý nghÜa rÊt to lín trong lÞch sư cđa kü tht thông tin sử
dụng dải tần ánh sáng (1014 1015Hz). Các hệ thống thông tin quang thực
1


nghiệm đầu tiên sử dụng không khí làm môi trờng truyền dẫn. Những thực
nghiệm ban đầu đà thu đợc những kết quả khá khả quan, nhng do chi phí
trong các khâu quá tốn kém, kinh phí tập trung trong việc sản xuất ra các
thiết bị để vợt qua trở ngại về thời tiết (ma, sơng mù, tuyết mỗi loại đều có những ) là quá lớn. Do
đó hệ thống thông tin quang sử dụng môi trờng truyền dẫn là không khí chỉ
đợc ứng dụng trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học.
Cũng trong thời kỳ này, ngời ta đà phát minh ra sợi dẫn quang và việc
sử dụng sợi dẫn quang làm môi trờng truyến dẫn, nhng độ suy hao sợi quang
lúc này là rất lớn khoảng 1000 db/km nên vẫn cha đợc sử dụng trong thực tế.
Năm 1966 Kao Hockman vµ Werts nhËn thÊy r»ng suy hao cđa sợi
quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu của sợi gây ra. Họ đà nhận
định và cho rằng có thể làm giảm đợc độ suy hao của sợi và chắc chắn sẽ tồn
tại một điểm nào đó của dải sóng truyền dẫn quang có độ suy hao nhỏ. Vào
năm sau đó Kapton, Keck Mauser chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có độ suy
hao 20 db/km và cuộc cách mạng thông tin sợi quang đà đợc mở ra. Từ đó
các nhà nghiên cứu khoa học đà không ngừng cố gắng phát minh, các sợi
quang dẫn có suy hao nhỏ lần lợt ra đời.
Năm 1976, hệ thống thông tin quang lần đầu tiên đợc lắp đặt tại
Atlanta (Mỹ) với cự ly lặp 10km, tốc độ 45 MbPs.
Đầu năm 1980, các hệ thống thông tin tiện sợi quang đợc phỉ biÕn víi
møc sãng lµm viƯc 1300 nm. Ngµy nay sợi quang đà đạt đến mức suy hao rất
nhỏ, giá trị suy hao 0,154 db/km tại bớc sóng 1550 nm. Giá trị suy hao đÃ
gần đạt tới trị số lý thuyết cho các sợi đơn mode 0,14 db/km..
II.
Đặc điểm thông tin quang

Cùng với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng
môi trờng truyền dẫn tơng ứng là dây dẫn kim loại và không gian. Thông tin
quang sử dụng môi trờng truyền dẫn là sợi quang. ở đây tín hiệu đợc biến đổi
thành ánh sáng và đợc truyến qua cáp sợi quang tới nơi nhận và đợc biến đổi
trở thành tín hiệu ban đầu.
Hệ thống thông tin quang có nhiều u điểm so với các hệ thống sử dụng
cáp đồng trục và vô tuyến do sử dụng đặc tính sau của cáp sợi quang.
- Suy hao trun dÉn thÊp (0,35 – 0,4 db/km ë bíc sãng 1300 nm
vµ 0,2 – 0,25 db/km ë bíc sãng 1550 nm)

2


- Độ rộng băng thông lớn ( vào khoảng 15Thz ë bíc sãng 1300 nm
vµ 1500 nm)
- KÝch thíc nhá, trọng lợng thấp
- Không ảnh hởng của điện từ trờng bên ngoài
- Cách điện
- Kinh tế : nguyên liệu để sản xuất sợi quang là thạch anh dồi dào
hơn nhiều so với kim loại, tiêu tốn vật liệu trên sản phẩm thấp
Bên cạnh đó các linh kiên thu và phát sợi quang trong hệ thống thông
tin quang có nhiều u điểm.
- Có khả năng điều chế tốc độ cao nên ứng dụng rất hiệu quả trong
truyền dẫn tốc độ cao và thông tin băng rộng
- Kích thớc nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao
- Khả năng phát xạ công suất quang lớn, máy thu có độ nhạy cao
nên thông tin dài
Các u điểm nổi bật nhất của phơng thức thông tin quang so với các phơng thức thông tin khác.
- Ưu điểm về dung lợng
- Ưu điểm về chất lợng tín hiệu

- Ưu điểm về điều kiện bảo dỡng, tác động môi trờng tuổi thọ
Bên cạnh những u điểm u điểm cũng có một số nhợc điểm sau:
Thông
tin -

Bộ phát quang

nối quang
Mối hàn sợi
Đơng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhỏ dẫnBộđến
khó đấu nối
Mạch điều

Nguồn

- Cần có
đờng dây, các
dây cấp nguồn cho tiếp phát
khiển
phátđơng
quang
Sợi dẫn quang
- Cần có phơng thức chỉnh lõi mới (cáp)
quang
Tuy nhiên với những u Thu
điểm
trên hệ thống thông tin quang coi là hệ
Trạm lặp
thống triển vọng nhất trong mạng truyền thông tin và đợc áp dụng rộng rÃi
trên thực tế.

Mạch điện
Cáctin
thiết
bị khác
III. Sơ đồ khối của một hệ thống thông
quang.
Phát quang

Khuếch
đại
quang

Bộ thu quang

Tín hiệu ra
Chuyển
đổi tín
hiệu

Đầu thu
quang

Khuếch đại
Hình : Các phần chính của tuyến truyền dẫn quang

3


Vai trò của kênh thông tin sợi quang là truyền dẫn những tín hiệu
quang từ đầu phát qua bộ chuyển đổi tới kênh dẫn bằng ssợi quang đến đầu

thu mà không bị méo dạng hoặc sai lệch. Nh vậy các thiết bị đầu cuối quang
đà có sự biến đổi tín hiệu điện thành tín thiệu quang và ngợc lại.
Hình vễ trên là cấu trúc của truyền thông tin quang. Các thành phần
chính của một tuyến gồn có khối phát quang, cáp sợi quang và khối thu
quang, trạm lặp.
- Khối phát quang: gồm có mạch điều khiển và nguồn sáng thực hiện
việc điều biến các tín hiệu điện vào thành các bức xạ quang để truyền đi.
Các hệ thông thông tin quang hiện nay đang làm việc theo nguyên lý
điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng và tách sóng trực tiếp (IMĐ)
- Cáp sợi quang : gồm các sợi dẫn quang va lớp vỏ bọc xung quanh
để bảo vệ khỏi tác động môi trờng bên ngoài
Cáp sợi quang dùng để truyền ánh sáng
- Trạm lặp: do tín hiệu truyền dẫn trên đờng truyền bị tiêu hao và
méo nên sau một khoảng thời gian nhất định, phải có trạm lặp để khuyếch
đại và tái sinh tín hiệu.
Việc tái sinh tín hiệu quang hiện nay phải trải qua 3 bớc
+ Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu méo và tái sinh tín hiệu dới dạng điện
+ Chuyển đổi tín hiệu điện đà tái sinh và khuyếch đại thành tín
hiệu quang để tiếp tục phát đi
- Khèi thu : gåm c¸c bé t¸ch quang, bé khuÕch đại và khôi phục tín
hiệu ở đầu thu, các tín hiệu quang đợc biến đổi thành các tín hiệu điện
4


thông qua bộ tách sóng quang, sau đó đợc khuếch đại và giải mà trở lại tín
hiệu ban đầu.

IV. Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin quang
1/ Sơ lợc về nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang

Nguyên lý cơ bản truyền ánh sáng trong sợi quang là dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần của ánh sáng trên bề mặt phân cách giữa hai môi trờng có triết suất khác nhau. Nó đi từ môi trờng có chiết suất lớn hơn sang
môi trờng có chiết suất nhỏ hơn.
Giả sử có một tia sáng đi từ môi trờng có chiết suất n1 đến môi trờng
có chiết suÊt n2 (n2>n1)

sin  1 n1

sin  2 n 2

1
n1
n2

2

Tia tới hợp với pháp tuyến của mặt phân cách giữa hai môi trờng góc
1, 2: góc khúc xạ hợp bởi tia khúc xạ và pháp tuyến. Quan hệ của các góc
1,2 với chiết suất n1,n2 theo định luật khúc xạ của Suchons:
Tia sáng có xu hớng đi lệch về phía vïng cã chiÕt st lín h¬n. Khi tia
sin  gh

n1
n2

tới đạt giá trị giới hạn nào đó thì nó không vào môi trờng thứ hai nữa mà
tia khúc xạ chạy song song với mặt phaan cách (góc khúc xạ = 90)
Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn thì tia sáng sẽ phản xạ tại mặt phân cách
giữa hai môi trờng. Độ lớn của gh sẽ phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết
suất giữa hai môi trờng
Muốn phản xạ toàn phần phải có hai điều kiện sau:

5


- Tia sáng từ môi trờng có chiết suất lớn hơn sang môi trờng có chiết
suất nhỏ hơn.
- Góc tới phải lớn hơn góc giới hạn.
2/ Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI MM (step index multi mode)
n2
n1
Lớp vỏ n2
Lớp vỏ n1
n02

t

2

Hình: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI MM
Các tia sáng đi từ nguồn bức xạ đi vào sợi quang qua môi trờng không khÝ cã
chiÕt st n0 = 1 tíi lâi sỵi cã chiết suất n1>n0. Chùm tia sáng đi vào sợi gồm
các tia tới khác nhau. Có tia đi dọc trục sợi, có tia khúc xạ tại miền giao tiếp
giữa lõi và môi trờng hớng về phía pháp tuyến. Góc của tia khúc xạ đợc xác
định theo công thức:
Trong đó n0, n1 biểu thị sự liên hệ chiết suất của môi trờng không khí
n0 sin 1 n1 sin 2

tơng ứng với lõi sợi.
Tia sáng đi vào trong sợi quang gựp mặt phân cách giữa lõi và vỏ với góc tới
miền n2 với giá trị nào đó tới gọi là góc tới hạn thì góc khúc xạ phải bằng

/2 để tia khúc xạ tại miền n2 trợt theo miền phân cách giữa lõi và vỏ. Góc
tới hạn đó là góc t, góc thoả mÃn hệ thức: sint = n0/n1.
Để có hiện tợng phản xá toàn phần tại miền phân cách giữa lõi và vỏ thì phải
thoả mÃn điều kiện sau:
sin  

n2
n1

vµ  > t

6


tia tới miền phân cách giữa lõi và vỏ sẽ đi ra ngoài vỏ nếu khi 1xạ xuất hiện suốt theo chiều dài sợi cáp với điều kiện lý cơ bản truyền ánh sáng trong sợi quang.
Sử dụng công thức 2.1 và 2.2 để tìn góc cức đại của tia từ môi trờng với hệ
trục toạ độ nằm trong lõi. Do 1 và 2 đều chỉ biến thiên trong khoảng từ 0
đến /2 đây là khoảng hàm sin đồng biến vậy :
2 = /2 - t thay vµo (2.1) ta cã
n0 sin  t max n 2 sin  2 max n1 sin   / 2   t  n1 cos  1
1

 n0 sin 1 max  n12  n22  2

Gièng nh một thấu kính hội tụ đợc hiểu nh khẩu độ NA(nummetical
appeture) của sợi n1n2 ta có đợc dạng rút gän cña NA nh sau:
1

 n1  2  2


n

2
1

 n 22
n2

Với
Ta có thể thấy rằng đại lợng đặc trng cho sự thay đổi chiết suất tại mặt
phân cách giữa lõi và vỏ, quyết định góc nhận tia sáng của sợi. Sự tăng có
thể làm cho nhiều tia sáng đi vào sợi nhng sẽ gây trở nhại cho thông tin
quang bởi sự tán sắc giữa các mode. Do vậy ta cần phải chọn cho hợp lý.
Sự tán sắc giữa các mode có thể đợc mô tả nh sau:
Một cách trực quan ta thấy trên hình 1.2 là các tia sáng song song với trục
sợi sẽ đi một quang đờng ngắn hơn các tia dích dắc do phải phản xạ liên tục
tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ. Kết quả của việc này là các tia sáng đợc da
vào lõi một cách đồng thời thì ở lới xa có tia đến sớm và có tia đến muộn. Do
vậy một xung ngắn ở lối vào thì ở lối ta không những bị nhoè mà còn bị giÃn

t 

n1
 L

 L


 sin 




Ln12
cn2

7


rộng ra. Nếu gọi độ dài của sợi là một thì tia sáng phải đi một quÃng đờng
dài nhất là 1/sin tia đi ngắn nhất là tia dọc trục có ®é dµi lµ L. Víi cïng vËn
tèc v = c/n ta thu đợc công thức sau (2.3)
Trong đó tt : Thời gian giữa hai tia ngắn nhất và dài nhất
n1,n2: chiÕt suÊt lâi, vá
c: VËn tèc ¸nh s¸ng c = 3.000.000.000 (trong chân không)
:chênh lệch chiết suất tơng đối
t : góc tới hạn
tt có ảnh hởng lớn đến tốc độ bit B, để sung đợc tách biệt
(không bị chồng lên nhau) th× Δtt < TB (víi TB = 1/B)
Cã Δtt < TB -> B.Δtt < 1
Thay Δtt ë c«ng thøc (2.3) ta cã
BL 

n2 c
n1 

C«ng thøc 2.4 cho phÐp ta đánh giá một cách sơ bộ sự giới hạn về tốc
độ bít trong sợi Sicó a>>L

3/ Sự lan truyền ¸nh s¸ng trong sỵi GI – MM (gradel – multi mode)

8


Hình: quỹ đạo trong sợi GI MM.
Đặc điểm của sợi này là chiết suất của lõi sợi không phải là hằng số
(const) mà thay đổi theo bán kính. Có giá trị n1 lớn nhất ở tâm lõi sợi tới giá
trị n2 nhỏ nhất ở mặt phân cách giữa lõi vàvỏ. Trong khi đó chiết suất n 2 của
vỏ sợi là không thay đổi (n2 = const) tất cả các loại dây sợi này đều đợc chế
tạo sao cho sự suy giảm gần với hàm bậc hai vàđợc phân tích kỹ bằng cách
dùng hệ số mặt cắt g
r a
n r n1 [1 


]g
r
a

 

r a
n r  n1 [1  ] n2

a: Bán kính lõi
t:Độ chênh lệch chiết suất tơng đối
g : Tham số mặt cắt
Hệ số g xác định giá trị sự thay đổi của chiết suất theo mặt cắt ngang,
sợi đơn mode có g lớn (10) nếu g = 2 ta đợc sợi có chiết suất Prabol.

Sự tán sắc giữa các mode đợc gỉm bớt trong loại sợi có chiết suất thay
đổi, đợc mô tả trên hình 1.3. Các tia xiên góc nhiều với trục có đờng đi dài
hơn các ria gần trục nhng do chiết suất giảm dânf từ lõi ra vỏ nên vận tốc của
tia sáng cũng tăng lên theo. Sự bù trừ này sẽ làm các tia thẳng trục vf các tia
xiên có thời gian trun tiÕn b»ng nhau. Trong h×nh 1.3 ta thÊy râ ràng các
tia dọc trục có đờng đi ngắn nhất, nhng lại có vạn tốc truyền bé nhất. Các tia
khác có đờng dài hơn nhng vận tốc truyền lớn hơn. quang hình học có thể chỉ
ra rằng g = 2 là tốt nhất để giảm tán sắc các mode, hay g = 2 là tối u.
P : là tham số tán xạ mặt cắt

g opt 2 2 P 12 / 5  

9


Phơng trình mô tả quỹ đạo của một tia gần trục nh sau:
Với

r : khoảng cách từ tia tới trục
d 2 r 1 dn
 
dz 2 n dr

z : sè ®o ®é dµi trơc
Nh vËy khi cã g = gopt thì độ lệch thời gian lớn nhất trên 1km là giảm
nhỏ, đặt giá trị sau (phụ thuộc vào t)
n1 2

L
8c

Việc tính toán T cũng tơng tự nh sợi chiết suất bậc nhng trong trờng
hợp này V khác const mà biến đổi theo bán kính
Từ (2 7) và thay ΔT < 1/B ta cã
V Vr 

c
c

n1 n1  r

Ta thấy rằng giá trị BL ở trong công thức 2.9 lín h¬n rÊt nhiỊu so víi
BL trong (2- 4)
BL

8c
n1 2

Để đặc trng cho khả năng ghép ánh sáng vào sợi, ngời ta định nghĩa biểu đồ
không gian pha, biĨu diƠn quan hƯ sin²θ θ víi r² nh nh trong h×nh vÏ 1.4 sau:

10


Hình: Biểu đồ không gian pha của sợi GI (a) và SI (b)
ánh sáng đa vào sợi nằm trong bao của một hình chóp đều bao quanh trục,
với góc mở là . Lúc đó r nh và sin nh tỷ lệ với diện tích của hình tròn phân
bố tia sáng A=rr và tỷ lệ với gó không gian .
2 = 2л(1-cosθ) ≈ лsin²θ (2.10) л(1-cosθ) ≈ лsin²θ (2.10) cosθ) ≈ лsin²θ (2.10) θ) ≈ лsθ) ≈ лsin²θ (2.10) in²θ θ (2л(1-cosθ) ≈ лsin²θ (2.10) .10)
Víi sỵi quang SI, chiÕt suÊt ruét n1 = const = n1(r), θm· = consθ) sin (2.10) t do đó góc

không gian lớn nhất cũng không đổi max = const
Với sợi quang GI, vì có chiết suất lõi biến đổi nên:


NA 2
2
r / a  2 
n 2  r  nL2 NA r / a nL L
2
2nL



Biểu đồ không gian pha rấ có lợi cho việc tính toán công suất ánh sáng P từ
một nguồn bức xak vào sợi quang. Với trờng hợp đơn giản A = r nh, 0 ≤ r ≤ a
vµ 0 ≤ θ ≤ arc sin NA, thì ta sẽ tính đợc P = Na nh NA nh
Với cùng giá trị a và NA thì công suất ánh sáng P đợc đa vào sợi GI chØ b»ng
a so víi sỵi SI – MM. Nh vËy nhợc điểm cần lu ý của sợi GI là ánh sáng đa
vào mặt cắt của sợi trên một diện tích bức xạ nhỏ hơn, hay chùm ánh sáng sẽ
nhỏ hơn.
4/ Sự lan truyền ánh sáng trong sợi SI SM (step index single mode)
Vấn đề cơ bản của quang học sóng để nô tả sự truyền sóng trong sợi
đơn mode chiết suất bậc là do bán kính lõi sợi lớn hơn bớc sóng cộng tác vài
11


lần. Do đó khi da sóng quang vào sợi, nó không chỉ lan truyền theo các quy
luật quang hình mà còn xảy ra hiện tợn giao thoa của hai sóng cùng lan
truyền. Hai sóng cùng pha thì tăng cờng lẫn nhau, ngợc lại, thì làm suy yếu
hoặc triệt tiêu nhau.

Khái niệm về mode đợc hiểu rất rộng, có thể coi là sóng lan truyền hay các
dạng sóng đợc phép lan truyền. Theo quan điểm truyền sóng, mode có thể đợc xen là một dạng sóng an truyền, sự phân bố cờng độ trờng trên mặt cắt
của sợi riêng và có vËn tèc lan trun riªng. Ngêi ta chØ cã thĨ đánh giá đặc
tính đa mode hay đơn mode của sợi thông qua số mode đợc phép lan truyền.
Số mode đợc phép lan truỳen phụ thuọc vào tỷ số của đờng kính bsợi, bớc
sóng cộng tác và thể hiện qua tham số của sợi.
Với điều khiện: bán kính của sợi
Khi giảm tích số đờng kính với độ mở AN hoặc tăng bớc sóng thì sẽ giảm
đợc đi vàđạt đợc yêu câu chỉ còn một mode đợc lan truyền. Để đạt đợc chế
độ đơn mode thì phải nhỏ hơn giá trị tới hạn g. Sợi có chiết suất bậc có
g = 2,405. Còn sợi có chiết suất giảm dần có 3,518
Sợi mode đợc xác định theo công thức sau:
- Đối với sợi SI:

M = /4

- Đối với sợi GI:
M = g/2(2+g)
ở sợi đơn mode vì chỉ có một mode lan truyền nên không lệch thời gian ở
cuối sợi, không méo tín hiệu, do đó sợi vod bảng tần truyền dẫn rất lớn và
cho phép truyền lợng thông tin rất lớn, đi xa hơn so với sợi đa mode.
V/. Các nguyên nhân suy hao trong sợi quang.
Suy hao trên sợi dẫn quang lµ mét tham sè quan träng trong viƯc thiÕt
kÕ hƯ thông, và xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu.
Trên tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối gia nguồn phát quang với
sợi quang và đầu thu quang cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn.
Quá trình uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao
này là suy hao ngoàibản chất của sợi, do đó có thể giảm chúng với nhiều
biện pháp khác nhau.
Suy hao sợi ( còn gọi là suy hao tín hiệu) đợc xác định:

PIN
log
L
POUT

12


Trong đó là hệ số suy hao hay suy hao trung bình (dB/km)
Các sợi dẫn quang rthờng có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần
nh không có suy hao và lúc đó PIN POUT và t¬ng øng α ≈ 0 dB/km
Trong thc tÕ, suy hao của sợi rất nhỏ, giá trị trung bình của suy hao sợi cho
phép cự ly truỳên dẫn vài chục km ở tốc độ khá cao.
1/ Suy hao do hấp thu.
- Hấp thu do tạp chất kim loại: các tạp chất trong thuỷ tinh là một
trong những nguòn hấp thụ năng lợng ánh sáng. Các tạp chất thờng gặp là sắt
(Fe), ®ång (Cu). Mangan (Mn), chronium (Ci), nikel (Ni)
Møc ®é hÊp thụ của rừng loại tạpchất phụ thuộc vào nồng độ tạpchất
và bớc sóng ánh sáng truỳen qua nó: với nồng độ tạp chất ( 10-6) thì độ hấp
thụ của vài tạp chất nh hình vẽ sau:

Để có đợc sợi quang có độ suy hao dới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật
tinh khiết và nồng độ tạp chất không quá 10-9
- Sù hÊp thơ cđa ion OH:

13


Sự có mặt của các (OH) từ trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy từ trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy

hao hấp thụ đáng kể. Đăc biệt độ suy hao tăng vọt ở các ớc sóng gần 950nm,
1240nm và 1400nm. Nh vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân
gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của ion OH từ trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy
trong lõi sợi đợc giữ ở mức 10-9 để giảm độ hấp thụ của nó.

Hình : Độ hấp thụ ion OH- (víi nång ®é 10-6)

- Sù hÊp thơ vïng cùc tím và hồng ngoại :
Ngay cả khi sợi quang đợc chế tạo bằng bạch kim có độ tinh khiết cao
thì sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiÕt cịng hÊp thơ ¸nh
s¸ng trong vïng cùc tÝm và hồng ngoại, độ hấp thụ thay đổi theo bớc sóng.
Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hớng sử dụng các
bớc sóng dài trong thông tin quang.

14


Hình : Suy hao hấp thụ cực tím và hồng ngoại
2/ Suy hao do tán xạ
Tán xạ Rayleigh : khi sóng điện từ truyền trong môi trờng điện gặp
những chỗ không đồng nhất sẽ gây ra hiện tợng tán xạ. Những chỗ không
đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh, các
khuyết tật của sợi nh bọt khí, các vết nứt... khi kích thớc của vùng không
đồng nhất vào khoảng 1/10 bớc sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm
để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra
nhiều hớng. Chỉ một phần năng lợng ánh sáng truyền qua hớng cũ, phần còn
lại truyền theo hớng khác, thậm chí truyền ngợc về phía nguồn quang.
Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo khi tia
sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ bọc, tia sáng
sẽ bị tán xạ và lúc đó tia sáng sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ

khác nhau. Những tia góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ
bọc và bị suy hao dần.
3/ Tán xạ do sợi bị uốn cong
- Vi uốn cong : khi sợi quang bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong
nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị
lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự
phân bố thờng bị sáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới sự
phản xạ năng lợng ra khỏi lõi sợi.
Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhÊt lµ bíc
sãng dµi
15


- Uốn cong : khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì
suy hao càng tăng. Dĩ nhiên không thể tránh khỏi đợc việc uốn cong sợi
quang trong quá trình chế tạo và lắp đăt. Song nếu giữ cho bán kính uốn
cong lớn hơn một bán kÝnh tỉi thiĨu cho phÐp sù suy hao do n cong không
đáng kể.
Bán kính tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị, thông thờng từ 30mm đến
50 mm

Hình : Suy hao do uốn cong thay đổi theo R
VI.

Dải thông của sợi dẫn quang
Sợi quang cũng có thể đợc xem nh mét hƯ thèng tun tÝnh cã hµm
H tm 

p2  tm
p1 tm

truyền đạt
Trong đó p1(tm) và p2(tm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang
ở tần số (tm)
Hàm truyền đạt thờng đợc biểu diễn dới dạng chuẩn hoá
H (tm )
H ( 0)

16


Trong đó H(0) là biên độ của hàm truyền đạt khi tần số điều chế f m = 0
Hz tức là không có điều chế

Hình : Hàm truyền đạt của sợi quang
Đờng biểu diễn của hàm truyền đạt của sợi quang nh trên hình vẽ. Tần
số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ đợc gọi là dải băng
thông B của sợi quang
H ( tm B )
H (0)



1
2

Nh vậy dải thông B là tần số điều chế mà tại đó vòng suất quang giảm
50% hay 3db
Một cách tổng quát dải thông B của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán
sắc tổng cộng và đợc tính theo công thức

B = 0,44/D
Trong đó : Dải thông B kích thớc bằng GHz
D độ tán sắc tổng cộng tính bằng (ns)
Đôi khi ngời ta sử dụng thông số B1 là dải thông ứng với một đơn vị
dài của sợi quang (Thờng là 1Km). Đơn vị B1 là GHz.Km (hc MHz.km)

17


Khi biết B1 và chiều dài L của sợi quang có thể tính đợc dải thông
chung của sợi quang theo công thức :
Trong đó thừa số y có giá trị 0,5 – 1 phơ thc vµo chiỊu dµi L cđa
B( GHz ) B1 Ly ( km)

sợi nhng trên thực tế y = 0,6 0,8
Vì độ tán sắc phụ thuộc vào bớc sóng của ánh sáng nên giải thông
cũng thay đổi theo bớc sóng sử dụng. Dải thông của sợi đơn mode thay đổi
theo bớc sóng và độ rộng của nguồn quang

Hình: Dải thông của sợi đơn mode thay đổi theo bớc sóng và độ rộng
phổ của nguồn quang.
Chơng II :
cáp sợi quang
I. Đặc điểm yêu cầu kỹ thuật của cáp sợi quang
Cũng nh cáp kim loại, cáp sợi quang cũng có những yêu cầu, đặc điểm
cần phải đáp ứng nhằm bảo đảm các yêu cầu sau:
- Không bị ¶nh hëng cđa nhiƠu tõ

18

- Không thấm nớc, lọc nớc
- Không ảnh hởng của lực tác động cơ học nh va chạm, lực kéo, lực
nén, uốn cong...
- Tuổi thọ phải lâu dài, bền vững và ổn định khi nhiệt độ thay đổi
nhất là ở nhiệt độ thấp
- Trọng lợng nhẹ, kích cỡ nhỏ thuận tiện khi vận chuyển, cất giữ và
lắp đặt
II. Phân loại cáp quang
1/ phân loại theo cấu trúc
- Cáp có cấu trúc cổ điển: cáp sợi quang hoặc nhóm sợi phân bố đối
xứng theo hớng xoay chiều vòng đồng tâm
- Cáp có cấu trúc lõi tụ rÃnh : các sợi và nhóm sợi đợc đặt trên rÃnh,
trên lõi cáp
- Cáp có cấu trúc băng dẹp gồm nhiều sợi quang đợc ghép trên một
băng xếp chồng lên nhau
- Cáp có cấu trúc đặc biệt : do nhu cầu trong cáp có thể có các dÃy
kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo làm đờng nghiệp vụ
2/ Phân loại theo mục đích sử dụng.
- Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạc, nông thôn
- Cáp dùng làm đờng trung kế giữa các tổng đài
- Cáp đờng dài
3/ Phân loại theo điều kiện lắp đặt
- Cáp chôn trực tiếp
- Cáp đặt trong ống
- Cáp thả dới nớc
- Cáp treo ngoài trời
- Cáp dùng trong nhà
III. Cấu tạo sợi quang
Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc. Tất cả những sợi

quang sử dụng trong mạng viễn thông đều cấu tạo b»ng thuû tinh tinh khiÕt,
19


nhng lớp vỏ và lõi sợi quang đều làm bằng thuỷ tinh nhng có chiết suất khác
nhau, tạo cho sợi quang thuộc tính của ống dẫn ánh sáng
Để bảo vệ sợi quang tránh nhiễu tác dụng do bên ngoài gây lên, cho
nên sợi quang cong đợc bọc thêm một vài lớp nữa
- Lớp phủ hay còn gọi là lớp vỏ thø nhÊt (Primary coating)
- Líp vá thø 2 (Secondary coating)
 Lớp phủ
Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi
nớc, tránh sự trầy xớc trên những vết nứt và giảm ảnh hởng vì uốn cong. Lớp
phủ đợc bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Vật liệu dùng làm lớp phủ có thể
là Epvalylate, Polyurethaner
Chiết suất của lớp phủ lớn hơn lớp bọc để loại bớt các tia sáng truyền
đi trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra trên mặt
giao tiếp giữa lớp bọc và lớp phủ
Lớp vỏ (Secondary coating)
Lớp vỏ có tác dụng tăng cờng sức chịu đựng của sợi quang trớc các tác
dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. Cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính
sau :
- Dạng ống đệm lỏng (loose butter)
- Dạng đệm khít (tight butter)
- Dạng băng tệp (Ribbon)
Mỗi dạng có u nhợc điểm riêng do đó sử dụng trong những điều kiện
khác nhau.

20