Lời nói đầu
Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới
dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang được
chế tạo từ sợi thuỷ tinh).
Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả
trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hản các phương tiện
truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử
dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện
truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh – nó còn là
phương tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình
cũng như thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch
vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu
phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa
Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh
và tốt kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các
cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường
Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế,
truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con
đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn
hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông
tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này.
Trong phạm vi đồ án này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin
quang và các bước triển khai moọt hệ thống thông tin quang. Đồ án nay
gồm hai phần như sau:
Phần I: Tổng quan về hệ thống quang.
Chương I: Hệ thống thông tin quang.
Chương II: Cấu tạo sợi quang.
1
Chương III: Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Chương IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện – quang và quang -
điện.

- Bộ xử lí: Xử lí nguồn tin tạo ra các tín hiệu đưa vào hệ truyền dẫn,
có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.
- Bộ biến đổi điện quang (E/O): biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín
hiệu cường độ quang để phát đi.
- Sợi quang (OF) : có vai trò như một kênh truyền dẫn, được dùng để
truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến.
- Bộ biến đổi quang điện (O/E): là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng
từ sợi quang đưa vào và biến đổi thành tín hiệu điện.
- Bộ xử lí : xử lí tín hiệu điện, biến đổi thông tin điện về dạng ban
đầu.
3
Bộ
xử lí
B
iến
đổi
E/O
Bộ
xử
lí
S
ợi
quang
(OF)
Nguồn
Thu
Hình I.1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn quang
Biến
đổi
O/E

5
Máy thu
Nguồn
sáng
Mạch
điện
Tí
n hiệu
điện
đầu v oà
Máy phát
Sợi
dẫn
Sợi
quang
Bộ chia quang
Bộ
nối
T
ín hiệu
điện
đầu ra
Bộ khuyếch
đại
Tín hiệu
điện
Bộ ghép hoặc
chia
Bộ lặp
Tới thiết bị

như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác, láp đặt với các điều kiện khác
nhau. Chúng có thể được treo ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong
cống, thả 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 đến vài km.
Tuy nhiên đôi khi thi công các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng
điều kiện cụ thể. Cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho cáp treo
hoặc cáp trôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài
tổng cộng của tuyến cáp được lắp đặt. Cáp sợi quang đóng vai trò truyền
dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang. 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 suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm,
1310nm, 1550nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống
thông tin quang và được gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai, thứ ba tương
ứng.
Giá trị suy hao tối thiểu củae sợi quang đặc biệt đạt tới 0,01 đến
0,001 dB/Km.
Phần thu quang: Do bộ tách quang và các mạch tạo khuyếch đại, tái
tạo tín hiệu hợp thành. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát
quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi
truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và bị méo do
các yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu
thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu
6
quang được biến đổi lại thành tín hệu điện. Các điốt quang kiểu thác(APD)
và điốt quang (PIN) có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ
thống thông tin quang. Cả hai loại đều có hiệu suất làm việc và có tốc độ
truyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang
sẽ quyết định nên bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào
của các bộ tách song quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử

sóng theo thông số:Tần số : f (Hz), Bước sóng :λ (m), Năng lượng
photon: E (eV). Các thông số trên có mối quan hệ sau :
c : Vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s ).
h : Hằng số Planck (6,625.10
-34
J.s).
- Phổ của sóng điện từ : được phân chia theo hai thông số là : tần số,
bước sóng. Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận
hồng ngoại có bước sóng : 800 nm ÷1600 nm.
+ Đặc biệt có 2 bước sóng thông dụng:1300nm, 1550nm.
- Chiết suất của một môi trường được trong suốt được xác định bởi tỷ
số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi
trường ấy.
n: Chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
n(không khí) = 1,00029; n(nước)= 1,333; n(thuỷ tinh) = 1,5.
c: Vận tốc ánh sáng trong chân không (≈ 3.10
8
m/s).
v: vận tốc áng sáng trong môi trường truyền đơn vị m/s.
vì v ≤ c nên n ≥ 1.
Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền
trong nó. Ví dụ chiết suất của thuỷ tinh 100% SiO
2
thay đổi theo bước sóng:
8
cf =.
λ
λ
υ
hc

1,48
1,47
1,46
1,45
1,44
1,43
n
n
λ
λ
d
dn
nn
g
−=
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 λ(µm)
Hình I.4: Sự thay đổi của chiết suất n v chià ết suất nhóm n
g
theo
bước sóng
λ
λ
d
dn
nn
g
−=
Mặt phân cách
hai môi trường
Tới

thì α < β: tia khúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến hơn.Nếu n
1
> n
2
thì khi tăng α, β cũng sẽ tăng theo, khi β = 90° ta có:
10
n
1
.Sin α = n
2
.Sin β
Phản xạ
Khúc xạ
Tới
Tới
β
α
T
I(n
1
)
II(n
2
)
Hình I.6: Hiện tượng phản xạ v khúc xà ạ khi tia khúc xạ gãy
về phía pháp tuyến hơn.
αT: gọi là góc tới hạn

==
Tới
a
t
I
(n1)
I
(n2)
Phản xạ
α
Hình I.7: Hiện tượng phản xạ to n phà ần.
12
n
2
n
1
Lớp bọc
Lõi
Hình I.8: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.
CHƯƠNG II CẤU TẠO SỢI QUANG
Sợi quang là một hình trụ trong suốt, mảnh dẫn ánh sáng bao gồm:
hai chất liệu điện môi trong suốt khác nhau thường làm bằng thuỷ tinh hoặc
nhựa. Một phần cho ánh sáng truyền trong đó gọi là sợi lõi (core), phần còn
lại là lớp vỏ bọc bao quanh lõi (cladding). Nó được cấu tạo sao cho ánh
sáng truyền dẫn trong sợi lõi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng toàn
phần. Ánh sáng truyền qua sợi quang từ đầu phát tới đầu thu với suy hao
sợi ở mức cho phép.
II.1. Cấu trúc sợi quang.
Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở tần
số quang. Cấu trúc căn bản của có gồm một lõi hình trụ đặc được bao

Ánh sáng từ nguồn phát qua không khí hợp với trụ của lõi sợi
quang một góc θ gọi là góc đón ánh sáng. Góc này chỉ phụ thuộc vào
chiết suất lõi và vỏ:
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
max
Các tham số: n
1
, n
2
, a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Độ lệch chiết suất lõi và vỏ:
∆ n = n
1
- n
2
.
Độ lệch chiết suất tương đối :
Độ lệch chiết suất tương đối có giá trị khoảng từ 0,002 đến
0,013.
14
2
2
2
1max
nnSinNA −==
θ
11
21
2

II.3.1 Theo cấu tạo:
- Theo kích thước lõi và lớp vỏ bọc.
- Vật liệu chế tạo sợi: sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo,
- Theo sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi.
+ Loại sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi gọi là sợi có chỉ số
chiết suất phân bậc SI (Step -Index).
+ Loại sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tới tiếp
giáp lõi và vỏ gọi là sợi có chỉ số chiết suất giảm dần GI (Gradient Index).
II.3.2 Theo đặc tính truyền dẫn:
Trong thực tế, đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia ra sợi đơn
mode, sợi đa mode vì trong đó cũng bao gồm sự khác biệt về cấu trúc của
vỏ và lõi.
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 gọi là những Mode.
15
b a O a b
r
Hình II.3: Các dạng phân bố chiết suất
n(r)
r
max
=n
1
g =1
g =2
g →
∞
II. 3.2.1 Sợi đa mode: (MM)
- Đường kính lõi d

∆=1%
n
2
Hình II.4: Sợi đa mode có chiết suất nhảy bậc v chià ết suất
giảm dần
- Đường kính lõi 9 ÷ 10 nm.
- Đường kính vỏ 125 nm.
- Độ lệch chiết suất 0,3%.
Vì chỉ có 1 mode truyền trong sợi nên tán sắc do nhiều đường truyền
≈ 0. Sợi đơn mode là sợi có chiết suất nhảy bậc SI.
Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode, đặc
biệt ở bước sóng l = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode ≈ 0  dải thông
của sợi đơn mode rất rộng.
Phát Thu
Vì đường kính lõi của sợi đơn mode nhỏ  tia sáng đi trong sợi quang
gần như là đi song song với đường trục của lõi a
T
= 90
o
. Thứ hai, việc ghép
nguồn đầu sợi quang ở bên phát khó  đòi hỏi nguồn công suất phát quang
Popt lớn.
Vì tán sắc nhỏ nên khắc phục được 2 nhược điểm chính của sợi đa
mode.Tóm lại:
Thực tế có 3 loại sợi quang thông dụng với các đặc tính sau:
17
n

- Dùng hoá chất tẩy sạch 2 đầu cần nối (lớp bảo vệ).
- Kẹp 2 đầu sợi trên bộ giá của mối hàn.
- Điều chỉnh cho hai sợi tiến lại lẫn nhau vấn đề một khoảng cách từ
10 ÷ 20 µm (máy tự làm).
- Điều chỉnh cho 2 sợi đồng trục, đồng tâm nhờ hệ thống điều chỉnh
3 chiều (máy tự làm).
- Kiểm tra suy hao ngay tại mối nối để đặt sợi ở vị trí tốt nhất.
- Phóng tia hồ quang  2 đầu sợi nóng chảy  dính vào nhau.
- Kiểm tra lại mối hàn xem có khuyết tật không.
- Gia cố cơ học bảo vệ mối hàn.
18
VD. Máy hàn S1475.
Sợi cung cấp: MM 50/125; 62.5/125 SM 10/125.
Suy hao trung bình: SM 0,038dB MM 0,030dB.
Thời gian hoạt động: liên kết: 30s Làm nóng: 120 s (loại S922).
Máy (gồm bộ chuyển đối AC/DC) : nặng 6,4 kg
Kích thước: 170W x 160 x 190 H.
Nhiệt độ hoạt động: -10
o
C ÷ 50
o
C
Nhiệt độ giữ: - 30
o
C ÷60
o
C.
Độ dài sợi cáp trần: tiêu chuẩn 10 mm
Khả năng tiêu biểu của bộ dụng cụ: >60 mối hàn trong một chu trình.
>30 mối hàn/ chu trình đốt nóng.

III.1. Suy hao tín hiệu:
Là sự giảm dần theo cự ly của công suất quang truyền trên sợi. Nó
đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, cho phép xác định
khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Sự biến thiên của nó theo quy luật
hàm số mũ:
Trong đó: P(o) là công suất ở đầu sợi (z=0).
P(z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi.
α là hệ số suy hao (dB/km).
Hệ số suy hao tín hiệu hay suy hao trung bình xác định bằng công
thức:
L : chiều dài sợi dẫn quang (km).
Pin : công suất quan đầu vào (W).
Pout : công suất quang đầu ra (W).
III.1.1 Các nguyên nhân gây suy hao:
- Do sự hấp thụ:
+ Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: trong thuỷ tinh mức độ hấp
thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và nồng độ bước
sóng ánh sáng qua nó.  Cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết.
21
P
in
= P(0) P
out
= P(z)
L
z
xoPzP
10
10)()(
α

500 600 800 1200 1400 1600 λ(nm)
Hình III.1: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại
600
500
400
300
200
100
0
α(dB/km)
)
Cu
Fe
Mn
600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)
Hình III.2: Độ hấp thụ của OH với nồng độ 10
-6
α(dB/km
)
3
2
1
0
- Suy hao do tán xạ:
+ Tán xạ Rayleigh: xảy ra khi sóng điện từ truyền trong môi trường
điện môi gặp những chỗ không đồng nhất về chiết suất do cách sắp xếp của
các phân tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi như bọt không khí, các vết
nứt, Sự thay đổi mật độ các phân tử này ở những chỗ khác nhau cùng với
các khuyết tật trong quá trình sản xuất sợi gây ra, tạo thành những nguồn
điện để tán xạ. Khi ánh sáng truyền qua những chỗ này sẽ toả ra nhiều

. Trên đặc tuyến suy
hao của sợi quang có 2 vùng bước sóng suy hao thấp gọi là cửa sổ suy hao
- Cửa sổ thứ nhất ở l
1
= 1300 nm có a ≈ 0,4 dB? km nghĩa là khi đi
một quãng đường 50 km thì Pv/Pra = 100 lần.
- Cửa sổ thứ hai ở l = 1550 µm có a ≈0,25 dB/km nghĩa là khi đi một
quản đường 50 km thì Pv/Pra = 10
1,25
lần.
Đây là 2 bước sóng được sử dụng nhiều nhất trong thông tin quang hiện
nay.
III.2. Tán sắc (hay méo tín hiệu):
24
.7 .8 .9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ(µm)
Hình III.4: Đặc tuyến suy hao
5
4
3
2
1
.8
.5
.3
.2
.1
λ(dB/km)
SM
MM-GI
Đa mode chiết

HìnhIII.5: Dạng tín hiệu v o raà
L
P
0
P
0
/2
P
0
P
0
/2
P
P
T
i
T
o
22
0 i
TTD −=
22
0 i
TTD −=