Giáo trình: Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG
I. GIỚI THIỆU
-

-

Ý tưởng truyền ánh sáng qua sợi thuỷ tinh được bắt nguồn
từ thí nghiệm “Suối ánh sáng” của Jonh Tydall tại Anh và các
thí nghiệm đầu tiên về truyền ánh sáng qua sợi thuỷ tinh
trần được thực hiện tại Đức vào năm 1930. Đến năm 1982,
nhà máy thuỷ tinh Corning (Mỹ) đã nghiên cứu ra loại sợi có
suy hao thấp nhất là 0,15dB/km tại bước sóng 1,6µm khi sử
dụng silic.
Hai loại sợi quang chủ yếu là sợi đơn mode và đa mode và ba
dải bước sóng quang xung quanh 0,85, 1,30 và 1,55µm đã được
sử dụng. Sợi đa mode có đường kớnh loừi naốm trong phaùm vi
50ữ 200àm, coứn ủửụứng kớnh lõi của sợi đơn mode chỉ khoảng
10µm. Tất cả các loại sợi quang, trừ sợi có đường kính lõi lớn
hơn hoặc bằng 100µm, đều có đường kính vỏ tiêu chuẩn là
125µm.

-

Laser được phát minh vào năm 1960. Đến năm 1980 đã sản
xuất thành công laser diode bán dẫn hoạt động liên tục tại
nhiệt độ trong phòng và có bước sóng phù hợp với sợi

quang. Cũng vào năm 1980, các nước công nghiệp phát triển
đã sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang thay thế các
đường trung kế cáp kim loại có tốc độ bit lớn hơn 8Mbit/s.
Năm 1987, laser diode thế hệ thứ 2 sử dụng cho sợi đơn mode
tại các dải bước sóng1,3 và 1,55µm được đưa vào sử dụng.

-

Trong những năm gần đây, công nghệ ghép bước sóng và
khuếch đại quang đã được triển khai rộng rãi, mở đường cho
việc tăng cự ly và tăng tốc độ bit của hệ thống tới hàng
trăm Gbit/s.

-

Tại Việt Nam, công nghệ thông tin cáp sợi quang cũng phát
triển kịp với các nước trên thế giới. Trên đất liền, chúng ta
đã có nhiều tuyến cáp sợi quang đơn mode. Hai tuyến cáp
quang dọc quốc lộ 1A và đường dây tải điện 500kV, tạo thành
mạng vòng 2,5Gbit/s có khả năng đảm bảo thông tin thông
suốt 24/24 trong mọi tình huống. Chỉ cần sử dụng hai sợi quang
trong mỗi cáp của mạng vòng này đã tổ chức được đồng
thời 30.000 cuộc đàm thoại. Tuyến cáp sợi quang liên tỉnh Hà
Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh 622Mbit/s đã hoạt động vào
cuối năm 1998. Nhiều tỉnh và thành phố như Hà Nội, thành
phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Nghệ An,…cũng đã lắp đặt mạng
-1-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

-

thông tin cáp sợi quang có tốc độ bit từ 155Mbit/s đến
2,5Gbit/s.
Việt Nam tham gia vào hai tuyến cáp quang biển. Hệ thống T-VH nối liền Thái Lan – Việt Nam – Hồng Kông có tốc độ bit là
565Mbit/s. Hệ thống SEA-ME-WE 3 ứng dụng công nghệ ghép
bước sóng quang đã nối liền mạng viễn thông nội địa của
Việt Nam với hơn 30 quốc gia trên thế giới. Sắp tới, hệ
thống thông tin cáp sợi quang liên lục địa hoàn thành sẽ có
thêm hàng vạn kênh thông tin quốc tế với Trung Quốc và
các nước Đông Nam Á.

II. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG
TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
Một tuyến truyền dẫn quang bao gồm hai trạm đầu cuối, ở giữa
là các trạm lặp (hoặc trạm khuếch đại quang), nếu cần thông tin
với những trạm giữa thì có thêm các trạm xen rẽ.
Các hệ thống thông tin quang đang được sử dụng hiện nay truyền
tín hiệu không qua một giai đoạn biến đổi tần số sóng quang nào.
Hầu hết các hệ thống truyền tín hiệu dạng số xây dựng từ tín
hiệu được điều chế xung mã (PCM) qua các bước ghép kênh số
cấp cao để tận dụng khả năng truyền băng rộng của sợi quang.
Sơ đồ tổng quát của một tuyến truyền dẫn quang như hình 1.1
sau :

THÀ
NH PHẦ
N ĐẦ
U CUỐ

I BỘPHÁ
T

Ghé
p kê
nhtín
hiệ
u điệ
n

Xửlýtínhiệ
n
điệ
n

Trạm xen rẽ

Phâ
n kê
nh
quang

Nguồ
n phá
t
E /O

Trạmlặ
p

Nguồ
n thu
E /O

Ghé
p kê
nh
quang

Trạm xen rẽ

Xửlýtín hiệ
u
điệ
n

Phâ
n kê
nh tín
hiệ
u điệ
n

DATA

THÀ
NH PHẦ
N ĐẦ
U CUỐ
I BỘTHU QUANG

Cá
c khố
i cóthểcóhoặ
c khô
ng

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của một tuyến truyền dẫn quang

-2-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Khối ghép kênh tín hiệu điện
Thiết bị ghép kênh trong hệ thống thông tin quang hiện nay là
các thiết bị ghép kênh số. Tín hiệu điện được biến đổi thành tín
hiệu điều xung mã PCM và ghép kênh theo nguyên tắc phân chia
thời gian (TDM). Có hai tiêu chuẩn được dùng hiện nay:
- Tiêu chuẩn Châu u (CEPT): tốc độ của luồng tín hiệu số cơ
bản là 2,048Mbit/s gồm 30 kênh thoại tiêu chuẩn, mỗi kênh
có tốc độ 64 Kbit/s.
Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản: tốc độ của luồng tín hiệu
số cơ bản là 1,544Mbit/s gồm 24 kênh thoại tiêu chuẩn, mỗi
kênh có tốc độ 64Kbit/s.
Các hệ thống ghép kênh ở Việt Nam xây dựng theo tiêu chuẩn
Châu u. Kênh thoại tiêu chuẩn có phổ giới hạn từ 0,3 – 3,4 Khz
được chuyển sang dạng số có tốc độ 64Kbit/s. Một kênh truyền
thanh chất lượng cao truyền với tốc độ 384Kbit/s tương đương 6 kênh
thoại. Một kênh truyền hình màu chất lượng tiêu chuẩn được

truyền ở tốc độ 140Mbit/s, tương đương 1920 kênh thoại. Có thể
dùng kỹ thuật điều xung mã vi phân (DPCM) để truyền tín hiệu
truyền hình màu ở tốc độ 34Mbit/s. Trường hợp này chất lượng
truyền hình không cao nhưng tiết kiệm được băng tần truyền dẫn.
-

Khối xử lý tín hiệu điện
Gồm bộ sửa dạng xung, bộ mã hoá (đối với hướng phát), bộ
giải mã (đối với hướng thu), các bộ giám sát, nghiệp vụ…

Bộ biến đổi điện – quang (E/O), quang – điện (O/E)
Hướng phát là nguồn phát quang E/O. Nguồn phát tiếp nhận tín
hiệu điện và biến đổi sang tín hiệu quang và ghép vào sợi dẫn
quang. Nguồn phát quang dùng LED hoặc LASER bán dẫn.
Hướng thu là bộ thu quang O/E. Tiếp nhận tín hiệu quang và biến
đổi sang tín hiệu điện. Bộ thu quang dùng diode thu quang PIN hoặc
APD.

Khối ghép kênh quang
Kỹ thuật ghép kênh quang ra đời trong những năm gần đây đã
mở ra con đường xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ
rất cao. Khi tốc độ truyền dẫn đạt hàng chục Gbit/s, các mạch điện
tử không đáp ứng được xung của tín hiệu cực hẹp. Kỹ thuật ghép
kênh quang thực hiện việc ghép kênh các tín hiệu ánh sáng
không qua giai đọan biến đổi điện nào cả.
Hiện nay có 3 kỹ thuật ghép kênh quang phổ biến là kỹ thuật
ghép bước sóng quang (WDM), ghép kênh quang theo tần số (OFDM)
và ghép kênh quang theo thời gian (OTDM). Trong đó, kỹ thuật ghép

-3-

Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
bước sóng quang là ưu điểm hơn cả và đang được sử dụng nhiều
nhất.

III. LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG – ĐIỆN, ĐIỆN – QUANG
.1 Linh kiện biến đổi điện – quang (nguồn quang)
-

-

Hiện nay, có hai loại linh kiện dùng làm nguồn quang là:
•

Diode phát quang (Led: Light emitting diode).

•

Diode Laser (LD).

Cả hai linh kiện trên đều cấu tạo từ chất bán dẫn (tiếp
giáp PN).

-

Các đặc tính của nguồn quang phụ thuộc vào cấu tạo, còn
bước sóng phụ thuộc vào vật liệu chế tạo linh kiện .

1.1

Led

1.1.1 Các loại Led thông dụng
Các Led thường dùng hiện nay là:
-

Led tiếp xúc mặt GaAs.

-

Led Burrus.

-

Led bước sóng dài.

-

Led phát xạ rìa.

1.1.2 Các đặc tính kỹ thuật
-

Thông số điện :
•

Dòng điện hoạt động tiêu biểu: từ 50mA đến 300mA.

•

Sụt áp trên Led từ 1.5V đến 2.5V.
-

•

Công suất phát quang :

Công suất phát quang được định nghóa là công suất tổng
cộng mà nguồn quang phát ra.

•

Công suất của Led thông thường từ 1 đến 3mW. Đối với
loại phát sáng, công suất cao có thể lên đến 10 mW.

-

Góc phát quang : công suất ánh sáng do các nguồn quang
phát ra cực đại ở trục phát quang và giảm dần theo góc hợp
với trục. Góc phát quang được xác định ở mức công suất
giảm đi ½ (3dB) so với trục cực đại.

-4-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
-

Hiệu suất ghép quang : là tỉ số giữa công suất quang ghép

vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của
nguồn quang.

-

Độ rộng phổ : nguồn quang phát ra có công suất lớn nhất
ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía. Độ rộng
phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang
không nhỏ hơn phân nữa công suất đỉnh.

-

Thời gian chuyển lên : là thời gian để mức công suất ra tăng
từ 10% đến 90% mức công suất ổn định.

1.2

Laser

1.2.1 Đặc điểm
Laser có cấu tạo gần giống led phát xạ rìa, điểm khác biệt cơ bản là trong laser có hai mặt phản
xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên hai hốc cộng hưởng quang, làm cho phần ánh sáng phát ra
theo chiều dọc mới được khuyếch đại.

1.2.2 Đặc tính kỹ thuật
-

-

-

Thông số điện:
•

Dòng điện kích thích: từ vài chục đến vài trăm mA.

•

Sụt áp: từ 1.5 đến 2.5V.

Công suất phát:
•

5 đến 10 theo phương lớp tích cực.

•

Gần 40 theo phương vuông góc lớp tích cực.

Hiệu suất ghép quang:
•

+ 30% đến 50% đối với sợi đơn mode.

•

+ 60% đến 90% đối với sợi đa mode.

.2 Linh kiện biến đổi quang – điện
Thường có hai loại là PIN và APD.

2.1

PIN

PIN là loại diode thu quang gồm 3 lớp bán dẫn P, I và N. P và N
có pha tạp chất còn I không pha tạp chất hoặc rất ít.

2.2 APD
APD là loại diode hoạt động theo chế độ thác lũ.


Những thông số cơ bản :

-5-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
•

Hiệu suất lượng tử: là tỉ số số lượng tử tách ra và số
photon được hấp thu.

•

Đáp ứng: tỉ số giữa dòng điện sinh ra và công suất
quang đưa vào.
R = Iph/popt

R: đáp ứng.

Iph : dòng quang điện.
Popt

•

: công suất quang.

Độ nhạy: là mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện
có thể thu được với một tỉ số lỗi nhất định.

Dải động: là khoảng cách chênh lệch giữa mức công suất

-

cao nhất và thấp nhất mà linh kiện có thể thu được với một
tỉ số lỗi nhất định.
Tạp âm: thể hiện ở dòng điện tạp âm. Các nguồn tạp âm

-

đáng kể là tạp âm nhiệt, tạp âm lượng tử và tạp âm tối.

IV. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Hệ thống thông tin quang có khả năng to lớn trong việc truyền
tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại vì
nó có nhiều đặc tính vượt trội hơn các hệ thống thông tin khác.

Ưu điểm của hệ thống thông tin quang
°

°

°

Suy hao truyền dẫn của sợi quang nhỏ hơn rất nhiều so với
cáp song hành hay cáp đồng trục nên có cự ly truyền dẫn
xa hơn.
Băng tần truyền dẫn rộng có thể lên đến hàng Thz nên
có khả năng truyền được một lượng thông tin lớn như các
tín hiệu âm thanh, hình ảnh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn
hợp trên cự ly hàng trăm km.
Sợi quang nhỏ và nhẹ, không có xuyên âm. Do đó, dễ
dàng cho việc vận chuyển, thi công và lắp đặt.

-6-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
°

°
°

°

Sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên
chúng không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu điện từ. Vì vậy,
chúng có thể được lắp đặt cùng với cáp điện lực.
Có tính an toàn và bảo mật thông tin cao, có tuổi thọ dài,
đề kháng môi trường lớn.

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và
chất dẻo là những nguyên liệu phong phú và rẻ tiền so
với nguyên liệu kim loại. Vì vậy, giá thành của sợi quang
sẽ giảm nhanh khi công nghệ chế tạo hoàn hảo.
Hệ thống thông tin quang được thiết kế thích hợp để có
thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết.

Vấn đề tồn tại trong hệ thống thông tin quang
°

Các bộ phận cảm biến quang điện tử đắt tiền, khó chế
tạo, khả năng ghép chúng với sợi quang dẫn còn nhiều
khó khăn.
°
Việc nối các sợi cáp với nhau đòi hỏi phần cơ khí phải có
độ chính xác cao. Các khe hở của các đầu ghép nối, đầu
ghép không tương hợp, chỉnh lệch tâm và đứt trên sợi
quang là nhân tố dẫn đến độ suy hao nghiêm trọng.
°
Việc ghép kênh truyền quang học là vấn đề rất khó
khăn.
°
Những tạp chất và việc bất đồng nhất của vật liệu làm
suy giảm tín hiệu. Do đó chế tạo sợi quang ít tổn hao đòi
hỏi công nghệ cao và phương pháp sản xuất tốt.
°
Cáp quang cần phải có đường đi thẳng. Vì vậy, phải mua
hoặc thuê tài sản nơi cáp đi qua, đôi khi không thể có
được đường đi thẳng cho các tuyến cáp. Đối với vùng đồi
núi hay đô thị phương pháp thông tin vô tuyến có thể thích

hợp hơn.
°
Yêu cầu lắp đặt đặc biệt. Do sợi quang chủ yếu làm bằng
silic nên cần phải có những kỹ thuật đặc biệt khi xây
dựng và lắp đặt các tuyến thông tin cáp quang. Các
phương pháp lắp đặt cáp đồng thông thường ví dụ uốn
cong, bọc dây hay hàn không còn áp dụng được nữa. Đồng
thời phải có các thiết bị thích hợp để đo thử sợi quang.
°
Không dễ dàng sửa chữa các đường cáp quang bị hư
hỏng. Các quy trình sửa chữa đòi hỏi kỹ thuật viên phải
có kỹ năng tốt.
Mặc dù có nhiều ưu điểm khi sử dụng cáp quang nhưng chúng
ta cần phải cân nhắc những ưu điểm và nhược điểm của mỗi ứng
dụng. Mọi chi phí lắp đặt và vận hành hệ thống thông tin quang
cần được phân tích kỹ.

-7-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

V.

ỨNG DỤNG
1.

Các công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp quang
để truyền thông giữa các tổng đài, qua các thành phố,
qua các nước khác nhau và qua những tuyến dài trên biển

(hình 1.2). Hiện nay đã có kế hoạch mở rộng cáp quang
đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ điện thoại
video chất lượng cao. Cáp sợi quang cung cấp một tuyến
thông tin tin cậy, dung lượng cao cho các thể loại thông tin
như thoại, số liệu và video.

Mạng vò
ng nộ
i hạt hiệ
n tại
làdâ
y đồ
ng.Tương lai có
thểlàcá
p sợi quang

Cá
c đườ
ng dâ
y điệ
n thoại

Cá
c đườ
ng dâ
y điệ
n thoại
Tổ
ng đà
i thà

nh phốA

Tuyế
n cá
p treo trê
n cá
ccộ
t

Tổ
ng đà
i thà
nh phốB

Mạng vò
ng nộ
i hạt hiệ
n tại
làdâ
y đồ
ng.Tương lai có
thểlàcá
p sợi quang

Hình 1.2 Kết nối các tổng đài bằng cáp sợi quang

2.

Các công ty truyền hình cáp đang triển khai các đường cáp
quang để truyền tải những tín hiệu chất lượng cao từ trung

tâm đến đến các trung tâm phân phối phân bố xung
quanh thành phố (hình 1.3). Sợi quang nâng cao được chất
lượng của các tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh
khả dụng. Trong tương lai cáp quang có thể được nối đến
-8-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
từng hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho người sử
dụng. Những dịch vụ dựa trên cáp quang như truyền hình
tương tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm việc từ một
hệ thống văn phòng tại gia đã được đưa vào kế hoạch sử
dụng trong tương lai.
Trung tâ
m phâ
n phố
i

Trung tâ
m truyề
n hình

Cá
p quang
Cá
p quang

Trung tâ
m phâ
n phố

i

Cá
p quang

Hiệ
n nay làcá
p đồ
ng trục ,
tương lai cóthểlàcá
p quang

Trung tâ
m phâ
n phố
i

Hình 1.3 Mạng truyền hình cáp quang

3.

Các trung tâm máy tính sử dụng cáp sợi quang để cung cáp
các đường truyền tốc độ cao ở các mạng LAN (hình 1.4) và
mạng MAN (hình1.5). Ví dụ, các ngân hàng có thể kết nối
với các chi nhánh bằng đường số liệu tốc độ cao cho tất
cả các loại dịch vụ giao dịch; các cửa hàng thương mại có
thể duy trì việc điều khiển tập trung đối với các hệ thống
máy tính tại các điểm bán hàng chi nhánh; các công ty
lớn với những yêu cầu lớn về hệ thống thông tin máy
tính như các công ty môi giới, các công ty bảo hiểm và

-9-


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
các văn phòng chính phủ có thể duy trì các đường truyền
thông số liệu tốc độ cao và bảo an…..

WAN

Liê
n kế
t
mạng WAN

LAN

Đườ
ng trục sốliệ
u tố
c độcao
(cá
p quang)

Mạng LAN tokenring
Mainframe

Mạng LAN Ethernet

Liê
n kế

t sợi quang

Phầ
n Ethernet ởxa

Hình 1.4 Cáp quang trong môi trường mạng LAN

- 10 -


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Cá
p quang

Cá
p quang

THÀ
NH PHỐ

Cá
p quang

4.

Cá
p quang

Hình 1.5 Cáp quang trong môi trường mạng MAN

Cáp quang đang được sử dụng trong công nghiệp để nâng
cao chất lượng và độ tin cậy của việc truyền thông tin
điều khiển và số liệu. Vì tính chất của ánh sáng là
không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện gây ra bởi động
cơ mô tô lớn, các công tắc điện, chuyển mạch điện,
bóng đèn và các máy móc khác có trong môi trường
công nghiệp.(Hình 1.6)

- 11 -


Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Tại nhàmá
y chính
Đo lườ
ng từxa

Modem cá
p quang

Modem cá
p quang

Tuyế
n cá
p treo trê
n cá
ccộ
t

Camara

Theo dõ
i bằ
ng video

Hình 1.6 Cáp quang trong môi trường công nghiệp

- 12 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

CHƯƠNG II

SI DẪN QUANG
I. CƠ SỞ QUANG HỌC
Sóng và phổ sóng điện từ
nh sáng biểu hiện như một sóng điện từ và thuộc về phổ
điện từ. Sóng điện từ có bản chất là sóng và hạt (dựa theo lý
thuyết quang sóng và quang hình).
Các đại lượng đặc trưng cho sóng điện từ:
• Tần số : là số dao động trong một giây do một sóng điện
từ thực hiện được. nh sáng nhìn thấy có tần số khoảng
2,3.1014 chu kỳ/s. Một chu kỳ trên một giây thường được gọi
là hezrt (Hz).
• Bước sóng : là quãng đường sóng đi được trong một chu kỳ.
Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng từ
770.10-9m đến 330.10-9 m.
Theo lý thuyết sóng điện từ ta có :

λ=

c
f

Trong đó:
 λ là bứớc sóng của ánh sáng tính theo mét (m)
 c là vận tốc của ánh sáng trong môi trường
truyền lan (trong không khí c = 2,998.108 m/s)
 f là tần số ánh sáng (Hz)
•

Năng lượng photon : ánh sáng còn thể hiện bản chất hạt,
được gọi là photon và có năng lượng là E, được định nghóa
bằng công thức sau:
E=
hc
( jun )
λ

Trong đó :
 h là hằng số Planck, bằng 6,626.10-34 j
 λ là bứớc sóng của ánh sáng tính theo meùt (m)

- 13 -


ChươngIII :Cáp sợi quang
 c là vận tốc của ánh sáng trong môi trường

truyền lan (trong không khí c = 2,998.108 m/s)
•

Công suất được định nghóa là tỉ lệ mà tại
đó năng lượng được phân phát, công suất tính theo W, theo
công thức sau:
P=

E
( w)
t

Trong đó :
 t là thời gian (s)
Biểu hiện hạt của ánh sáng đã giải thích được việc làm thế
nào mà các nguồn sáng tạo ra ánh sáng và các bộ tách
sóng quang có thể biến đổi ánh sáng trở về năng lượng điện.
Các băng sóng vô tuyến như bảng sau:

Băng tần

Tần số

VLF
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF

EHF

3kHz

÷

Bước sóng
30kHz

100km÷ 10km

30kHz ÷

300kHz 10km ÷ 1km

300kHz ÷

3MHz

3MHz

1km

÷ 30MHz

÷ 100m

100m ÷ 10m

30MHz ÷ 300MHz

10m

÷ 1m

300MHz÷ 3GHz

1m

÷ 1dm

1dm

÷ 1cm

1cm

÷ 1mm

3GHz

÷ 30GHz

30GHz
300GHz

- 14 -

÷

ChươngIII :Cáp sợi quang

Phổ sóng điện từ (hình 2.1)
Vùng hồng ngoại:
 Vùng hồng ngoại gần : 780 nm ÷ 1400 nm.
Vuứng hong ngoaùi giửừa : 1,4àm ữ 6àm.
Vuứng hong ngoaùi xa : 6àm ữ 1mm.
ã Aựnh saựng truyen trong sợi quang
1600nm.

trong khoảng : 800nm ÷

Vù
nghồ
ngngoại

VLF

LF

MF

HF

VHF UHF +SHF +EHF

Vù
ngcựctím

Vù
ngkhả
kiế
n

Á
nhsá
ng sử
dụngtrong thô
ngtinquang
1,6

1,5

1550nm

1,4

1,3

1,2

1,1

1300nm

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

850nm

Hình 2.1 Phổ sóng điện từ
Chia thành 3 cửa sổ quang :
 Cửa sổ 1 : λ1 = 850nm
 Cửa sổ 2 : λ2 = 1300nm
 Cửa sổ 3 : λ3 = 1550nm
Cửa sổ quang 1 sử dụng ở thế hệ 1, cửa sổ quang 2 và cửa
sổ quang 3 đang được sử dụng hiện nay.

Chiết suất của môi trường
Chiết suất đặc trưng cho sự cản trở năng lượng photon, ký hiệu
là n.
n=

c0
v
- 15 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

Trong đó:
 c0 là vận tốc ánh sáng truyền trong chân
không.
 v là vận tốc ánh sáng truyền trong môi
trường có chiết suất n.

Phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Khi tia sáng truyền trong môi trường một đến mặt ngăn cách
môi trường hai thì ánh sáng chia thành hai tia :một tia phản xạ lại
môi trường một và một tia khúc xạ vào môi trường hai.
Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới (hình 2.2):
Cùng nằm trong mặt phẳng tới.
Góc phản xạ bằng góc tới.
Góc khúc xạ: n1sinΦ1 = n2sinΦ2.

Tia
tới.
Môi trường
1
Môi trường
2

n1
n2

Φ1

Tia phản
xạ

Φ’1
Φ2.

Tia khúc
xạ

Hình 2.2 Tia tới và tia khúc xạ

Khi góc tới lớn hơn một góc Φo nào đó (góc tới hạn) thì không
có tia khúc xạ mà ta chỉ nhận được tia phản xạ gọi là hiện tượng
phản xạ toàn phần. Lúc đó:
Φo = arc sin (n2/n1)
•

Người ta ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần trong
việc truyền dẫn sợi quang. Sợi quang gồm có: lõi có chiết

- 16 -


ChươngIII :Cáp sợi quang
suất n1 và lớp bọc có chiết suất n 2. Khi ánh sáng đi vào
sợi quang sẽ được phản xạ nhiều lần, do đó, có thể
truyền đi với khoảng cách xa.

Khẩu độ số:
•

Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng
có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn một góc giới hạn Φmax

nào đó. Sin của góc giới hạn này gọi là khẩu độ số (NA).
NA = sinΦmax

Hoặc
NA =

2

n1 − n2

2

Trong đó:
 n1 là chiết suất của lõi.
 n2 là chiết suất của vỏ.

II. SI QUANG
Cấu tạo sợi quang
Sợi quang là một vật dài hình trục trong suốt, có tác dụng giữ
và truyền lan sóng ánh sáng. Sợi quang bao gồm ba lớp :
- Lõi (core): ở giữa, truyền tải ánh sáng.
-

-

Vỏ (cladding): bao bọc xung quanh phần lõi để giữ ánh sáng
chỉ truyền lan trong lõi. Lõi và vỏ được làm bằng thuỷ tinh
silic.
Lớp bọc: là lớp bảo vệ ngoài cùng, bằng vỏ nhựa hoặc
bằng sợi tổng hợp acrylate.

- 17 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

Hình 2.3 Các loại đường kính lõi (core) và vỏ (cladding)
(ν
của sợi quang (µ m)
Chiết suất của lõi làm bằng silic là khoảng 1,5 và của vỏ
khoảng 1,48. Chiết suất của không khí là 1,003. Lớp bọc thường
được phủ đơn sắc sử dụng các mã đơn sắc do nhà sản xuất quy
định để dễ phân biệt sợi quang. Các sợi quang cũng có thể làm
bằng nhựa hoặc bằng các vật liệu khác thường rẻ hơn sợi quang
silic nhưng suy hao lớn hơn và hạn chế các ứng dụng.
Những đường kính thông dụng của sợi quang
Các sợi quang dùng cho viễn thông được sản xuất ở 5 đường
kính lõi và vỏ chủ yếu như sau (µm):
Loại

Lõi

Vỏ

Lớp bọc

Đệm
(ống)

I

8 – 10

125

250 hoaëc
500

900 hoaëc
2000

II

50

125

250 hoaëc
500

900 hoaëc
2000

III

62,5

125

250 hoaëc

500

900 hoaëc
2000

IV

85

125

250 hoaëc
500

900 hoaëc
2000

V

100

140

250 hoaëc
500

900 hoặc
2000

Kích cỡ của sợi quang được xác định ở dạng “lõi / vỏ”. Vì vậy,

một sợi 62,5/125 có nghóa là sợi quang có đường kính lõi là
62,5µ m và đường kính vỏ là 125µ m.

- 18 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
-

Sự khúc xạ xảy ra tại đầu của sợi quang, nơi tia sáng đi qua
mặt phân cách giữa sợi quang và không khí. Góc khúc xạ và
góc tới được tính theo trục vuông góc với mặt phân cách
giữa sợi quang và không khí. Với một sợi được cắt chính xác,
trục này trùng với trục của sợi quang (hình 2.4).
Khô
ng khí n~1,0

n ~1,48

Vỏsợi quang

n~1,5
Trục sợi quang

Gó
c khú
c xạ

Gó
c tớ
i
Vỏsợi quang

Hình 2.4 Khúc xạ trong sợi quang
Việc cắt sợi quang là một quá trình tạo ra một bề mặt đầu
cuối phẳng, nhẵn bóng, đường cắt vuông góc với trục của sợi
quang. Điều này đảm bảo có nhiều ánh sáng nhất có thể được
truyền lan trong sợi quang.
Chỉ những tia sáng đến mặt phân cách với không khí ở
những góc nhỏ hơn khẩu độ số được khúc xạ vào trong sợi quang
và được giữ lại trong sợi quang (hình 2.5).
Khô
ng khí n~1,0

n ~ 1,48

Tia sá
ng bịmấ
t Vỏsợi quang

n~1,5
Tia sá
ng phả
n xạ

Trục sợi quang
NA

Vỏsợi quang
Tiatớ
i

Hình 2.5 Khẩu độ số (NA)
Khi tia sáng đi qua mặt phân cách giữa 2 môi trường, từ một
môi trường có chiết suất cao đến môi trường có chiết suất thấp
hơn, tia sáng bị khúc xạ vào môi trường thứ hai. Khi góc tới của tia
sáng tăng cho tới khi tia sáng không còn khúc xạ được vào môi
- 19 -


ChươngIII :Cáp sợi quang
trường thứ hai nữa và bị phản xạ hoàn toàn vào môi trường thứ
nhất, đó là hiện tượng phản xạ toàn phần, và góc bắt đầu xảy
ra hiện tượng phản xạ toàn phần được gọi là góc tới hạn . Hiện
tượng nàu xảy ra tại mặt phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang
có tác dụng giữ ánh sáng trong lõi của sợi quang (hình 2.6).
Khô
ng khí n~1,0

n ~ 1,48

Tia sá
ng bịmấ
t Vỏsợi quang

n~1,5
Gó
c tớ

i Gó
c phả
n
hạn
xạ

Trục sợi quang

Tia sá
ng phả
n xạ

NA

Vỏsợi quang
Tiatớ
i

Hình 2.6 Sự phản xạ toàn phần

Phân loại sợi quang
Có ba cách để phân loại sợi quang:
- Theo vật liệu : làm bằng silic, nhựa…..
- Theo dạng chiết suất : sợi chiết suất bậc(SI :Step – Index) và
sợi chiết suất biến đổi đều (GI : Graded – Index )
- Theo đặc tính lan truyền : sợi đơn mode (Single Mode) và sợi đa
mode (Multi Mode)
Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của sóng
trong sợi. Khi truyền trong sợi quang ánh sáng đi theo nhiều đường,
trạng thái ổn định của các đường này gọi là mode sóng. Như vậy,

một mode sóng tương đương với một tia sáng.

3.1 Sợi đa mode
Sợi đa mode là sợi truyền được nhiều hơn một mode ánh sáng.
Số mode ánh sáng (các đường đi của các ánh sáng) tối đa có
thể có trong một sợi quang được tính theo công thức sau:
M =1+

2D
2
2
n1 + n2
λ

Trong đó:
 D là đường kính lõi.
 n1 chiết suất lõi.
 n2 chiết suất lớp vỏ.
- 20 -


ChươngIII :Cáp sợi quang


λ là bước sóng ánh sáng.

Đối với sợi đa mode, số các mode tia sáng có thể lớn hơn 1000.
Số mode thực tế phụ thuộc vào các đặc tính khác của sợi quang
và có thể bị giảm xuống khi truyền lan.
Sợi đa mode thường được sử dụng cho những ứng dụng truyền

thông khoảng cách ngắn (thường nhỏ hơn vài km). Các thiết bị
điện tử đầu cuối không đắt lắm và thường có thiết kế đơn giản.
Đèn LED thường được sử dụng làm nguồn sáng. Do lõi của các sợi
đa mode có kích thước lớn nên việc nối chúng dễ dàng và cần
những linh kiện có độ chính xác thấp hơn so với đơn mode.
Sợi đa mode chuẩn là 50/125. Ngoài ra còn có một số sợi hay
được sử dụng là 62,5/125; 80/125; 100/140…NA trong khoảng 0,20 đến
0,29 (phụ thuộc vào λ).

3.2 Sợi đơn mode
Sợi đơn mode là sợi quang chỉ truyền một mode ánh sáng (một
đường đi của tia sáng ở tâm sợi quang). Loại sợi này có được là
nhờ giảm đường kính lõi đến một kích thước mà nó chỉ cho phép
một mode ánh sáng truyền lan.
Do lõi có kích thước bé nên ánh sáng khó đưa vào sợi. Laser
bán dẫn được sử dụng làm nguồn sáng. Phải sử dụng những linh
kiện có độ chính xác cao trong các đoạn nối và mối hàn.
Do chỉ có một mode được truyền trong sợi quang nên sự dãn
xung do tán xạ mode được loại trừ. Vì vậy, sợi đơn mode cho phép
truyền dẫn số liệu với tốc độ cao (trên 2Gb/s), khoảng cách lớn.
Các công ty điện thoại thường sử dụng công nghệ này để truyền
tín hiệu qua những khoảng cách lớn.

Các dạng phân bố chiết suất
4.1 Chiết suất nhảy bậc (Step – index)
Chiết suất nhảy bậc: là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với
chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệch như
hình bậc thang .
Nhược điểm của dạng chiết suất này: với những tia sáng có
góc tới khác nhau sẽ được truyền với thời gian khác nhau trên

cùng một cự ly. Khi cho một tia sáng hẹp đi vào sợi quang sẽ nhận
được một tia sáng rộng hơn ở đầu bên kia gọi là hiện tượng tán
sắc.
b
a

n2
n1

n2 n 1 n

O
a
b

- 21 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

Hình 2.7 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
có chiết suất nhảy bậc.

4.2 Chiết suất giảm dần (Graded – index)
Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI):

n2
n1> n2

b

a
O n2 n1
na
b

Hình 2.8 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
có chiết suất giảm dần

Sợi GI có phân bố chiết suất hình Parabol.
Đường truyền trong sợi GI cũng không bằng nhau, nhưng do cấu
tạo của sợi nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Vì vậy độ tán
sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.

Suy hao công suất quang
5.1 Khái niệm
nh sáng truyền trong sợi quang bị suy hao công suất theo độ
dài đường truyền. Sự suy hao công suất này phụ thuộc vào độ
dài bước sóng và môi trường lan truyền. Đối với thuỷ tinh silic,
bước sóng càng ngắn càng bị suy hao mạnh. Tổn hao thấp nhất
xảy ra ở bước sóng 1550nm, bước sóng này hay được dùng cho
những truyền dẫn khoảng cách dài.
-

Suy hao công suất ánh sáng được đo bằng decibel (dB).
dB = 10lg

p ( w)
1( w)

- 22 -

ChươngIII :Cáp sợi quang

dBm = 10lg

-

p( mw)
1( mw)

Gọi A là suy hao trên sợi quang thì A được tính theo công thức
sau:
A = 10lg

p1 ( mw)
P2 ( mw)

(dB)
-

Nếu P1 và P2 tính theo dBm thì :

-

A (dB) = P1 (dBm) – P2
(dBm)
Suy hao trên một đơn vị chiều dài là:
α=

A
(dB/km)
L

Với L là chiều dài của sợi quang (km).

5.2 Các nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang
Suy hao của sợi quang gây bởi một số yếu tố, có thể phân ra
thành các suy hao do sự tác động từ bên ngoài và suy hao nội tại.
-

Suy hao do tác động bên ngoài:
• Suy hao uốn cong.
•

-

5.2.1

Suy hao do mối hàn và bộ nối.

Suy hao nội tại:
• Suy hao cố hữu đối với sợi quang.
•

Suy hao do quá trình sản xuất sợi quang.

•

Phản xạ Fresnel.

Suy hao uốn cong
-

Suy hao uốn cong xảy ra ở các đoạn cong của sợi quang do
sự thay đổi góc tới tại mặt phân cách giữa vỏ và lõi sợi
quang. Nếu bán kính cong lớn hơn bán kính cong cho phép
của sợi quang thì suy hao đó không đáng kể và được bỏ
qua(hình 2.9).

- 23 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

Tổ
n hao uố
n cong (dB)

0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9

Bá
n kính cong(cm)

Hình 2.9 Suy hao uốn cong của sợi quang đa mode
-

Các đường cong đột ngột của lõi sợi quang gây bởi lớp
đệm, áo bọc, chế tạo, thực hành lắp đặt…, có thể cũng
gây ra suy hao công suất . Suy hao này được gọi là uốn cong
vi mô và có thể tích tụ thành một lượng lớn trên một
khoảng cách dài (hình 2.10).
Cô
ng suấ
t

Po

Px
PL
0

x

L
x
Chiề
u dà
i sợi quang

Hình 2.10 Suy hao uốn cong vi mô theo chiều dài

5.2.2 Suy hao mối hàn và bộ nối
-

Suy hao mối hàn xảy ra tại tất cả các mối hàn. Những mối
hàn cơ khí luôn có suy hao cao nhất, thường từ 0,2dB đến
trên 1,0dB, tuỳ thuộc vào loại mối hàn. Các mối hàn nóng
- 24 -


ChươngIII :Cáp sợi quang

-

chảy có suy hao thấp hơn, thường nhỏ hơn 0,2dB. Suy hao bày
do một số yếu tố gây ra như việc cắt sợi quang kém, các
lõi sợi quang không thẳng hàng nhau, có khoảng không trong
mối hàn, nhiễm bẩn, sự không cân xứng của chiết suất,
sự không cân xứng của đường kính lõi….
Suy hao ở các bộ nối sợi quang thường từ 0,3dB đến 1,5dB
và phụ thuộc vào kiểu bộ nối được sử dụng.

5.2.3 Suy hao cố hữu của sợi quang
Suy hao do sự phân tán tia sáng : là suy hao gây ra do những thay
đổi về mật độ quang, cấu tạo và cấu trúc phân tử. Những tia
sáng gặp phải những thay đổi này và các tạp chất thì bị phân
tán theo nhiều hướng khác nhau và bị mất đi.
Suy hao do hấp thụ : sự hấp thụ ánh sáng ở mức phân tử của
một sợi quang chủ yếu là do những hạt bẩn trong thuỷ tinh như các
phân tử nước (OH-), Fe, Cu, Mn…Trong đó, OH- là yếu tố chính làm

tăng sự suy hao của sợi quang theo thời gian.

5.2.4 Suy hao do quá trình sản xuất sợi quang
Những bất thường trong quá trình sản xuất sợi quang dẫn đến
suy hao các tia sáng. Ví dụ, sự thay đổi 0,1% đường kính lõi có thể
dẫn đến suy hao 10dB/km.

5.2.5 Phản xạ Fresnel
Phản xạ Fresnel xảy ra tại bất kỳ mặt phân cách nào, nơi xảy
ra sự thay đổi chiết suất, làm cho một phần tia sáng tới bị phản
xạ trở lại môi trường thứ nhất. Ở sợi quang, ánh sáng đi từ
không khí vào lõi sợi quang và được khúc xạ vào lõi, tuy nhiên,
khoảng 4% ánh sáng bị phản xạ trở lại không khí.
Tại một bộ nối, lượng công suất ánh sáng bị phản xạ khoảng
8% ở mặt phân cách giữa môi trường không khí và thuỷ tinh.
Công suất ánh sáng phản xạ có thể giảm xuống bằng cách sử
dụng các bộ nối tốt hơn.

Tán xạ (Dispersion) và băng thông sợi quang
6.1 Băng thông sợi quang
Băng thông sợi quang là một đại lượng dùng để đánh giá khả
năng truyền tải thông tin của một sợi quang. Băng thông của sợi
quang bị hạn chế do sự tán xạ tổng hợp (sự dãn xung) của sợi
quang.

6.2 nh hưởng của tán xạ
Sự tán xạ làm giới hạn khả năng truyền tải thông tin do các
xung bị méo và dãn ra, chồng lấn nhau và đầu thu không thể
phân biệt được. Để tránh xảy ra hiện tượng này, các xung phải
được truyền đi ít thường xuyên hơn, do đó, làm giảm tốc độ số

- 25 -