MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát
triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ
thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin điện hiện đại có cấu
trúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống
truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ
tinh… Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh
truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không tổ
chức được các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra được
các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới
ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ
thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thôngthế
giới là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và
đường truyền dẫn quốc tế.
Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công
nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã
hoàn thành vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa
vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu
hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp
quang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những
ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn
quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thông số
của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi
phải xác định chính xác các thông số của nó.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
1
Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhà
sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp đặt, sử
dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến

trò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại.
Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang
đã trải qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó. Vào năm
1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một
thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sử
dụng dải tần số ánh sáng. Vào thời điểm đó, hàng loạt các thực
nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó.
Tuy nhiên, chi phí cho các công việc này quá tốn kém, kinh phí cho
việc sản xuất các thành phần thiết bị để vượt qua được các cản trở do
điều kiện thời tiết tự nhiên đã gây ra là con số khổng lồ. Chính vì vậy
chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
3
Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thống
truyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh
ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù
có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô
hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn. Năm 1966 Kao và một số
nàh khoa học khác đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang.
Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer
chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970.
Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho
phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền
dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên
cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời. Cho tới
đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã
được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300mm. Cho
tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới < 0,2 dB/km
tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ sợi quang trong những năm qua. Cùng với công nghệ chế tạo

truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
1.1.2. Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn
quang.
Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều
năm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn
chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc
truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống
thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
5
như vậy, ta có thế xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao
gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây :
Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi
quang.
Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp
sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo gồm có
nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với
nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc
xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái
tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến
thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (Connector). Các mối
hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang vấcc trạm lặp, tất cả tạo nên
một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với
những điều kiện lắp đặt khác nhau. Chúng có thể được trao ngoài
trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển. Tuỳ
thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp
cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét tới vài kilomet. Tuy nhiên
đôi khi thi công, các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều

loại sợi. Có ba loại sợi quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phân
bậc, sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien, và sợi quang đơn mode.
Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ
dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy
hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy
hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm. Ba vùng
bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi
là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba tương
ứng.
Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệu
vào đường truyền sợi quang. Cấu trúc thiết bị phát quang gồm có
nguồn phát quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệu
đầu vào. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phát
quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Tín hiệu ở đầu vào thiết bị
phát ở dạng số hoặc đôi khi códạng tương tự sẽ được tiếp nhận để
đưa vào phần điều khiển. Mạch điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệu
điện dưới dạng điện áp thành xung dòng. Cuốicùng nguồn phát sẽ
thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng
và phát vào sợi quang. Hình 1.2 là sơ đồ khối của thiết bị phát quang.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
7
Mã hoá
Điều
khiển
Nguồn
phát
Tín hiệu
v oà
Clock v oà
Sợi

Quyết định
Tín hiệu ra
Clock ra
Sợi
quang
Trích Clock
Giải mã
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị thu quang sô.
1.1.3. Những ưu điểm và ứng dụng 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 và do
đó giảm được số trạm tiếp vận.
-Dải thôgn tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc
độ cao.
-Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ : dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ.
-Hoàn toàn cách điện : không chịu ảnh hưởng của sấm sét.
-Không bị can nhiễu bởi trường điện từ : vẫn hoạt động trong
vùng có nhiễu điện từ mạnh.
-Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên.
Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so với
sợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly.
Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích
khác. Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn
hiện nay bao gồm :
-Mạng đường trục Quốc gia.
-Đường trung kế.
-Đường cáp thả biển liên quốc gia.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
9

λ
d
dn
nn
nh
−=
1.2.1.2. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách với
môi trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : một tia phản xạ lại
môi trường 1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2. Tia phản xạ và
tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau :
-Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp
tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới).
-Góc phản xạ bằng góc tới : θ’
1
=θ
1
.
-Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell :
n
1
sinθ
1
= n
1
sinθ
2
.
Hình 1.5. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
1.2.1.3. Sự phản sạ toàn phần.

2
cũng tăng và θ
2
luôn lớn
hơn θ
1
. Khi θ
2
= 90
0
, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì
θ
1
được gọi là góc tới hạn : θ
th
; nếu tiếp tục tăng θ
1
> θ
th
thì không
còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6). Hiện tượng này
được gọi là sự phản xạ toàn phần.
Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell)với θ
2
=
90
0
có thể tích được góc tới hạn θ
th
.

phản xạ . Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài
ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn.
Hình 1.7. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
1.2.2.2. Khẩu độ số NA.
Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc
tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn θ
th
(hình 1.8). Sin của góc tới hạn
này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA :
NA = Sin θ
th
.
Hình 1.8. Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau.
Áp dụng công thức Snell tính NA :
Tại điểmA đối với tia 2 :
n
o
sinθ
max
= n
1
sin(90
0
- θ
th
)
mà n
0
= 1 (chiết suất của không khí
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01

2
1max
nnnSinNA
θ
Trong đó
1
21
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn −
≈
−
=∆
: độ lệch chiết suất tương đối.
Độ lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến
0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%).
1.2.3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có
chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết
suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất
của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục
của sơi ra). Sự biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới
dạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên hình 1.9.

=∆
: độ chênh lệch chiết suất.
r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết
suất.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
14
a : bán kính lõi sợi.
b : bán kính lớp bọc.
g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g ≥ 1.
Các giá trị thông dụng của g :
g = 1 : dạng tam giác.
g = 2 : dạng parabol
g →∞ : dạng nhảy bậc.
Hình 1.9. Các dạng phân bố chiết suất.
1.2.3.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI).
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi
và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia từ
nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo
những đường khác nhau như hình 1.10.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
15
Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI).
Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài
đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng
một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tượng. Khi đưa một
xung ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng
hơn ở cuối sợi, là hiện tượng tán sắc.
Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có
tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục
được trong loại sợi có chiết suất giảm dần.

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 có vận tốc truyền lớn hơn và ngược
lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc
truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn
nhất. Nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất.
Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol (g =
2) 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 . Ví dụ : độ chênh lệch thời gian truyền 1 km chỉ khoảng
0,1ns.
Cần lưu ý rằng góc mở θ ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán
kính r vì n
1
là hàm n
1
(r).
NA
a
r
NAnrnSin
r
≤−=−=
22
21)(
)(1)(
θ
Trên trục sợi : r = 0 thì θ
(O)
= θ

một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng
ánh sáng. Thường thường lý thuyết tia sáng được áp dụng vì nó đơn
giản, dễ hình dung. Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý
thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý
thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm đó.
Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các
phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
18
định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức sóng đã xác
định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng.
Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải
phương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả
có liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng
trong sợi. Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng
thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. Có thể hình
dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. Các mode được ký
hiệu LP
V
µ
với v = 0, 1, 2, 3, và µ = 1, 2, 3, Mode thấp nhất là
LP
01
.
Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi,
trong đó có thừa số V.
NAakNAa
n
V

2
V
N ≈
Với chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode
4
2
V
V =
Ví dụ : một sợi quang loại GI (g = 2), với a = 25 µm , NA =
0,2 ở bước sóng λ = 1 µm có thừa số V là :
4,31102,0.25.
1
2
≈==
πµ
µ
π
m
m
V
Số mode truyền trong sơi này là :
.247
4
4,31
4
22
≈==
V
N
Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và

N
Sợi đa mode có thể có chiết suất suốt nhảy bậc hoặc chiết suất
giảm dần (Hình 1.13).
Hình 1.13 : Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT
(50/125µm).
1.2.4.2. Sợi đơn mode (Sµ) : single mode).
Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản
(LP
01
) truyền được trong sợi thì gọi là sợi đơn mode. Trên lý thuyết,
sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số V < V
C1
= 2,405.
Vì chỉ có một mode sóng truyền truyền trong sợi nên độ tán sắc
do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố
chiết suất nhảy bậc (Hình 1.14).
Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là :
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
21
-Đường kính lõi : d = 2a - 9µm ÷ 10µm
-Đường kính lớp bọc : D = 2b - 125µm
-Độ lệch chiết suất : ∆ = 0,003 = 0,3%
-Chiết suất lõi : n
1
= 1,46.
Hình 1.14. Kích thước sợi đơn Mode .
Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode và đơn mode sẽ được
phân tích ở phần sau, ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loại
sợi này.
Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode

Hình 2.1. Công suất truyền trên sợi quang.
-Độ suy hao được tính bởi :
2
1
lg10)(
P
P
dBA =
Trong đó : P1 = P
(0)
: là công suất đưa vào đầu sợi.
P2 = P
(L)
: là công suất ra ở cuối sợi.
-Hệ số suy hao trung bình .
)(
)(
)/(
kmL
dBA
kmdB =
α
Trong đó : A : là suy hao của sợi.
L : là chiều dài sợi.
Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng α)
mà là quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn.
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
23
2.1.2. Đặc tuyến suy hao.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại

tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ, hoặc hầu
như không suy hao. Còn ở các bước sóng khác sẽ có hiện tượng cộng
hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hoá thành nhiệt năng.
Thuỷ tinh silica (SiO
2
) hiện nay được sử dụng để chế tạo sị
quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại
10µm đến 20 µm, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thông
tin quang là từ 0,8µm đến 1,6µm hoặc trong vùng lân cận.
Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng hấp thụ hồng ngoại cũng còn
ảnh hưởng suy hao ở các bước sóng gần phía trên bước sóng 1,6µm.
Người ta thấy rằng từ bước sóng 1,6µm trở lên thì suy hao tăng rất
nhanh theo bước sóng.
Như vậy, bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng
trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo
TrÇn V¨n Hµnh Líp §T: 99-01
25