TI NCKH
lời nói đầu
Cùng với sự phát triển mọi mặt về kinh tế xã hội, các nhu cầu vui chơi giải
trí của con ngời cũng tăng lên nhanh không ngừng cả về số lọng và chất lợng.
Hoà vào xu thế đó, các dịch vụ viễn thông cũng không ngừng phát triển nhằm
thoả mãn các nhu cầu của con ngời, đặc biệt là con ngời của kỷ nguyên và thông
tin.
Để tạo ra đợc một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển các dịch vụ
thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng đợc cải tiến và nâng cao về chất l-
ợng. Từ khi ra đời cáp quang đã thể hiện là một môi trờng truyền dẫn lý tởng với
băng thông gần nh vô hạn và rất nhiều u điểm khác. Các hệ thống truyền dẫn mới
chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang. Do việc nâng cấp
tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu điện gặp nhiều khó khăn, các
nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ tuyến bằng cách tăng tốc độ tín hiệu
quang.
Trong khuôn khổ bản báo cáo thực tập với mong muốn giới thiệu tổng
quan của thông tin quang bao gồm bốn chơng sau:
ChơngI: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
ChơngII: Sợi quang và sự truyền ánh sáng trong sợi quang
ChơngIII: Cáp quang
Chơng IV: Phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện
Với nội dung trên cuốn báo cáo góp một phần nhỏ trong lĩnh vực nghiên
cứu và phát triển sợi quang.
Sau cùng em xin trân trọng gửi tới thầy giáo hớng dẫn Th.s.Lấ QUANG
KHI lòng biết ơn sâu sắc về sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình trong quá trình thực
hiện bản báo cáo thực tập này.
1
TI NCKH

Chơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang .
I. Giới thiệu về thông tin quang.

bây giờ sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ khoảng 0,154db/Km tại bớc
sóng dài hơn là 1550nm cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi
quang trong hai thập niên qua. Giá trị suy hao này đã gần đạt tới mức tính toán
trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mốt là 0,14db/Km . Cùng với sợi quang,
công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang đã tạo ra hệ thống thông tin
quang với u điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin các kim loại là:
- Suy hao truyền dẫn.
- Băng tần truyền dẫn rất lớn.
- Không bị ảnh hởng của nhiều điện từ.
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin.
- Có kích thớc và trọng lợng nhỏ.
- Sợi có tính cách điện tốt.
- Tin cậy và linh hoạt.
- Sợi đợc chế tạo từ vật liệu thông thờng
Do các u điểm trên mà hệ thống thông tin quang đợc áp dụng rộng rải trên
mạng lới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đờng trục trung kế, liên tỉnh,
thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng mọi môi tr-
ờng lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa, vợt
đại dơng Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn số
không loại trừ tín hiệu dới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc
Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có một tiêu chuẩn mới phát triển
trong những năm gần đây gọi là SONET (Sunchronceus optical Network), tốc độ
truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi
một lu lợng ghép kênh số trên sợi quang.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã đợc ứng dụng rộng rãi trên thế
giới, chúng đáp ứng đợc cả tín hiệu tơng tự (Analog) và số (digital), chúng cho
phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi
nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lợng cáp quang hiện nay
3
TI NCKH

96
672
4032
4032
2,048
8,448
34,368
139,264
565,184
30
120
480
1920
7680
1,544
6,312
32,064
97,728
396,200
24
96
480
1440
5760
Bảng 1-2: Các mức phân cấp tín hiệu SONET
Mức OC - 1 OC - 3 OC - 9 OC-12 CO-18 OC-24 OC-36 OC-48
Tốc độ
truyền
Mbit/s
51,84 155,52 466,56 622,08 933,12 1244,16 1866,24 2488,32

khiển
Bộ nối
quang
Sợi dẫn
quang
Mối hàn
sợi
Bộ chia quang
Phát
quang
Mạch điện
Thu
quang
Khuếch đại
quang
Chuyển đổi
tín hiệu
Đầu thu
quang
Tín hiệu
điện ra
TI NCKH
Hình 1-1: Tổng quát của hệ thống thông tin quang

Trạm lặp có cấu trúc gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần
điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tin hiệu quang yếu rồi tiến hành biến
đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này sửa dạng và đa vào đầu vào thiết
bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
quang rồi lại phát tiếp vào đờng truyền. Những năm gần đâycác bộ khuyếch đại
quang đã đợc sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm lặp quang.

C
Kênh truyền dẫn Điều biến
Tín
hiệu thu
Tín
hiệu thu
D B
B
Biến đổi
điện quang
O/E
D
Phần
điện tử
Giải điều
Phần
điện tử
TI NCKH
theo nguyên lí điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, còn các hệ thống coherence
trong tơng lai thì áp nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều
tần các tia bức xạ coherence là các bức xạ kết hợp. Tín hiệu ra phải là tín hiệu
quang, các tín hiệu cao tần đợc điều biến biên độ hoặc pha hoặc tần số.
4. Sợi quang SQ để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều
biến, vai trò nh kênh truyền dẫn.
5. Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi
quang đa vào biến đổi trở lại thành tín hiệu điện nh tín hiệu phát đi. Tín hiệu vào
của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện hoặc quang) nhng tín hiệu ra của
chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đa vào phần điện tử, tách ra tín
hiệu thu giống tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu.
6. Tải tin: Trong hệ thống điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong

a. Ưu điểm:
1. Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các kim loại, đờng kính mẫu của sợi quang là
0,1 mm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm.
2. Sợi cáp nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong. Chi phí vật liệu
cáp ít, cáp lại đợc lắp đặt thuận tiện, ngay cả bằng tay. Cáp quang hiện nay cho
phép tăng đợc nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đờng kính cáp rất ít.
3. Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh là môi trờng trung tính với ảnh h-
ởng của nớc, axít, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ bên
ngoài có bị h hỏng nhng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt.
4. Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập
mạch.
5. Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hởng của điện từ trờng
ngoài, nên có thể sử dụng sợi để cho các hệ thống thông tin ở những nơi có nhiễu
điện từ trờng mạnh nh trong các nhà máy, nhà máy điện mà không cần che
chắn ảnh hởng điện từ.
6. Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hởng điện từ nên sợi quang cũng đợc sử
dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu.
7. Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giữa các
sợi quang, đảm bảo không bị nghe trộm.
8. Vì sợi quang là sợi điện môi, nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàn
toàn cách điện và không có mạch vòng chảy qua đất.
8
TI NCKH
9. Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong dải
tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền đợc tốc độ lớn hơn cáp kim
loại khi cùng chi phí xây dựng mạng.Trong tơng lai làm cáp thuê bao cho các
dịch vụ dải rộng cũng rất phù hợp.
10. Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp
kim loại rất nhiều.
b. Nhợc điểm:

sang môi trờng loãng hơn.

Cho một tia sáng đi từ môi trờng có chiết suất n
1
sang môi trờng có chiết
suất n
2
(n
2
< n
1
); Tia tới 91) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai
môi trờng một góc tới là . Khi sang môi trờng thứ hai, tia sáng bị khúc xạ và
hợp với pháp tuyến P một góc khúc xạ các đại lợng này đều tuân theo định luật
khúc xạ ánh sáng:
n
1
sin = sin
ứng với góc tới hạn T thì góc khúc xạ
= 90
0
lúc này sinT =
10
n
2
n
1
2
P


vỏ phản xạ có thể là thủy tinh hay chất dẻo trong suốt. Việc phân loại sợi quang
phụ thuộc vào 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 Gradien (GI).
- Loại sơi phân chia theo mode truyền dẫn.
Mode ở đây chính là sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi đợc mô tả dới
dạng các sóng điện từ truyền dẫn. Mỗi một mode truyền dẫn là một mẫu các tr-
ờng điện và trờng từ đợc lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tơng đơng
với bớc sóng.
3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang
a.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 giới hạn
max
. Sin của góc giới hạn này đợc gọi là khẩu độ số , ký
hiệu NA.
NA=sin
max
Hình 2-1:Đờng truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
áp dụng công thức Snell để tính NA
11
n
2
n
2
n
1

Max

=1,chiết suất của không khí
sin(90
0
-
0
)=cos
=
0
2
sin1


=
2
1
2
2
1
n
n

vì sin
0
=
1
2
n
n
Do đó NA=sin
max

Hình 2-2: Sự truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất nhảy bậc (SI)
Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc (vì v = c/n
1
, ở đây n
1
không đổi) mà chiều dài đờng truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác
nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tợng: Khi đa một
xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận đợc một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối
sợi. Đây là hiện tợng tán sắc, do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín
hiệu số có tốc độ cao qua cự li dài đợc. Nhợc điểm này có thể khắc phục đợc
trong loại sợi có chiết suất giảm dần.
12
n
b
a
a
0
n
2
b
n
1
n
2
n
2
n
1
>
n


V
Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần
a. Sợi SI b. Sợi GI
Hình2-4 Kích thớc sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125
à
m)
13
50
à
m
125
à
m
n
2
n
1
125
à
m
n
2
n
1
50
à
m
125
à

n
2
n
1
n
(Sợi đơn mode SM)
xung vào xung ra
r
xung vào
n
2
n
1
n
(Sợi đa mode chiết
suất bậc SI - MM
xung ra
TI NCKH
5. Suy giảm tín hiệu trên sợi dẫn quang:
a. Suy hao do hấp thụ:
- Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ
tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lợng ánh sáng. Các tạp chất thờng
gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Niken
(Ni).
Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và
bớc sóng ánh sáng truyền qua nó.
Với nồng độ tạp chất một phần triệu (10
-6
) thì độ hấp thụ của vài tạp chất
nh trên.

quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi đợc giữ ở
mức dới một phần tỉ để giảm độ hấp thụ của nó.
Hình2-9: Độ hấp thụ của ion OH(với nồng độ 10
-6
)
- Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang và thuỷ
tinh có độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xảy ra. 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 bớc sóng, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh h-
ớng sử dụng các bớc sóng dài trong thông tin quang.
Hình2-10: Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại
b. Suy hao do tán xạ
- Tán xạ Rayleigh: Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trờng điện
môi gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tợng tán xạ. Những chỗ
16
Hấp thụ cực tím
1000
10
1
0,1
0,01
600
800
100

(dB/km)
1400
1200
1600
(

1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa.
Cần lu ý rằng tán xạ Rayleigh là một nguyên nhân gây suy hao cho sợi
quang nhng hiện tợng này lại đợc ứng dụng để đo lờng trong các máy đo quang
dội.
Hình2-11:Suy hao do tán xạ Rayleigh
- 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 bọc tia sáng sẽ bị tán
xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau.
Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy
hao dần.
17
1
0,7
0
0,3
0,8
0,9
1
2
3
4
5
(
dB/km)
1,5
1,1
1,2 1,4
1,3
(à
m)

20
1
0,1
10
30
40
60
50
R (mm)
TI NCKH
- cáp kéo trong cống
- cáp treo ngoài trời
- Cáp đặt trong nhà
- Cáp nối giữa các thiết bị
- Cáp ngập nớc
- Cáp thả biển
Đối với từng loại cáp khác nhau sẽ có thiết kế khác nhau, nhng các nguyên
lý cơ bản về thiết kế đều phải có trong mọi loại cáp. Đặc thù về cấu trúc sợi
quang có đợc là do có đặc tính cơ học của sợi thuỷ tinh. Một đặc tính cơ học
quan trọng là tải trọng quanh trục cho phép lớn nhất trên cáp vì yếu tố này sẽ xác
định độ dài của cáp đợc đặt.
2. Các phần tử của cáp:
Cũng nh cáp kim loại ,cáp quang c ũng có những yêu cầu ,đặc điểm cần
phải đáp ứng trớc hết lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi quang khỏi ảnh hởng
của môi trờng nh côn trùng, độ ẩm, nhiệt độ hoặc các lực cơ học tác động. Cáp
cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Không bị ảnh hởng nhiễu điện tử.
- Không thấm nớc, lọc nớc.
- Chống đợc các ảnh hởng của tác động cơ học nh va chạm, lực kéo, lực
nén, uốn cong

Nylon 5,6 ữ 6,5 300 1,3 ữ 2,4 20
Polyethylene:
Mật độ cao
2,1 ữ 3,8 15 ữ 100 0,4 ữ 0,7 11 ữ 13
Polyethylene:
Mật độ thấp 0,7 ữ 1,4 90 ữ 650 0,1 ữ 0,24 10 ữ 22
Polypropylene 3,3 ữ 4,2 200 ữ 700 1,1 ữ 1,4 8 ữ 9,5
Polyvinilehlo
Rride (PVC)
0,7 ữ 0,24 200 ữ 400 0,1 7 ữ 21
Fluoroethylen
Propylene (FEP)
2 ữ 3,2 250 ữ 330 0,35 8,3 ữ 10,5
Plybuthylen
Terephthalete (PBT)
6 200 2,5 6 ữ 9
b. Thành phần gia cờng:
là các phần tử tạo cho cáp có lực cơ học cần thiết để chịu đợc căng và co
đặc biệt là bảo đảm tính ổn định cho cáp.
Các vật liệu có Modul Young cao thờng đợc sử dụng làm thành phần gia c-
ờng .Ngoài ra,yêu cầu vật liệu gia cờng là phải nhẹ ,có độ mềm dẻo .Đay là các
đặc tính quang trọng quá trình lắp đặt kéo cáp trong cống .Thành phần gia cờng
là kim loại hay phi kim .Nó có thể đợc đặt ở tâm cáp hoặc phân bố ở các lớp
ngoài đồng tâm với cáp .
Bảng 3-2: Các đặc điểm của vật liệu thành phần gia cờng.
Vật liệu
Trọng
lợng
riêng
Modul

1,44
1,44
20 . 10
3
10-20.10
3
9 . 10
3
13 . 10
3
6 . 10
3
40 150
150 200
300
300
70
0,2 1
1 - 1,5
3
2
1,2
50 300
150 200
300
300
300
20 - 25
1,5
2,4

các sinh vật.
Cấu tạo chung của cáp .
21
1
1
1
2
2
3
3
3
2
2
TI NCKH

1. Phần tử gia cờng 2. Lõi cáp 3. Vỏ bọc PVC
Ưu điểm của cáp quang vì là phi kim không có hiện tợng cảm ứng điện từ
nên có thể lắp đặt cạnh các đờng của điện lực và nơi khác. Vật liệu chế tạo rẻ,
tiêu hao nhỏ dới 1ds/km dải tần truyền dẫn rộng, tốc độ truyền dẫn cao đạt đến
hàng chục Gbit/s
Ngoài ra cáp quang còn có một số nhợc điểm về tính chất và kỹ thuật đó là
vì thành phần lõi là sợi quang rất giòn, dễ gãy do tác động giãn nở kéo dài. Còn
về phơng diện truyền nóng thì nếu cáp uốn cong ngoài yêu cầu cho phép thì sẽ
dẫn đến sự suy hao thông tin truyền trong cáp
Ngoài ra u nhợc điểm của cáp quang còn phụ thuộc vào sự phân loại sử
dụng cáp theo yêu cầu kỹ thuật nh cáp truyền dẫn đờng dài, nội hạt hay là trên
mạng trung kế và theo yêu cầu về địa lý nh cáp chôn trong cống, cáp thả dới n-
ớc
3.Các loại cáp và ứng dụng :
Thiết kế và lựa chọn cáp sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào môi trờng lắp đặt.

bên ngoài nhỏ, mềm dẻo, cho phép uốn cong, dễ dàng thao tác và hàn nối. Cáp
cần có đặc tính chống gặm nhấm tốt. Vì loại cáp này thờng bám sát tờng nhà và
thiết bị cho nên nó phải bảo đảm không dẫn lửa, không phát ra khí độc trong
phòng. Cấu trúc loại cáp này thờng ở dạng bọc chặt để bảo đảm kích trớc nhỏ và
chắc.
e. Cáp ngập nớc và thả biển
Cáp ngập nớc sử dụng để thả qua sông hoặc qua khu vực có nớc ngập cạn,
đồng lầy , vì vậy loại cáp này cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Tính chống ẩm và chống thấm nứoc tại các vùng có áp suất đặc biệt lớn.
+ Có khả năng chống sự dẫn nớc dọc theo cáp
+ Có khả năng chịu đợc sự kéo khi lắp đặt và sửa chữa cáp.
23
TI NCKH
+ Chống lại đợc các áp lực thống kê.
+ Cho khả năng hàn nối sửa chữa dễ dàng.
+ Có cấu trúc tơng thích với cáp đặt trên đất liền.
Cấu trúc của cáp thả biển đòi hỏi rất phức tạp. Có thể xem đây là cáp đặc
chủng vì nó đòi hỏi nhiều yêu cầu còn khắt khe hơn loại cáp ngập nớc ở trên
nhiều lần.Ngoài các yếu tố trên, cáp thả biển còn phải chịu tác động đặc biệt
khác nh khả năng thâm nhập của nớc biển, sự phá hoại của các động vật dới.
Chơng iv: phần tử chuyển đổi điện quang-quang điện
I. Phần biến đổi điện quang:
* Các chức năng chung:
Linh kiện biến đổi quang điện đợc đặt ở hai đầu sợi quang, có hai loại linh
kiện quang điện :
- Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, đợc gọi là nguồn
quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng
điện chạy qua nó.
- Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Còn gọi là linh kiện
tách sóng quang,(hay linh kiện thu quang). Linh kiện này cí nhiệm vụ ngợc lại so

khảo sát và tiến hành nghiên cứu và điều tra, ngời ta thấy cấu hình dị thể kép
mang lại hiệu quả nhất và đợc ứng dụng nhiều nhất.
25