50
Chơng 3
Hệ thống thông tin quang
3.1. Hệ thống thông tin sợi quang
3.1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang
Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang mô tả ở hình 3.1. Tất cả các tín hiệu
điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu fax đa đến đợc biến đổi sang
tín hiệu quang qua một bộ biến đổi điện quang E/O (các mức tín hiệu điện đợc biến
đổi thành cờng độ sáng). Các tín hiệu điện nhị phân "0" và "1" đợc biến đổi ra ánh
sáng dạng "không" và "có" và sau đó đợc gửi vào cáp quang. Các tín hiệu truyền qua
sợi quang công suất bị giảm và dạng sóng (độ rộng xung) bị dãn ra. Nếu công suất và
dạng sóng đến nơi nhận (với khoảng cách xác định) vẫn bảo đảm trong mức độ quy
định, nó sẽ đợc đa đến bộ biến đổi quang-điện O/E. Bộ biến đổi quang-điện sẽ biến
đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện và khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu
của máy điện thoại, fax để gửi đi. Tín hiệu đã khôi phục đợc truyền đến các thiết bị
đầu cuối của chặng truyền dẫn.

Hình 3.1: Cấu hình của hệ thống thông tin sợi quang
Bộ biến đổi điện-quang E/O là các linh kiện phát quang nh diode phát quang
(LED) hay laser diode. Bộ biến đổi quang-điện O/E chính là photo diode.
Khi khoảng cách truyền dẫn giữa trạm nguồn và đích lớn hơn giới hạn quy định
(đối với từng loại sợi quang) tín hiệu sẽ bị biến dạng và suy giảm tới mức khó hồi phục
lại chính xác. Lúc đó cần có các trạm lặp (repeater: tiếp sức) giữa đờng truyền để bảo
đảm, tín hiệu trạm đích có thể hồi phục chính xác. Các trạm lặp này sẽ biến đổi tín
hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện, rồi dùng khuếch đại điện tử khuếch đại lên
và sửa dạng nh tín hiệu điện ban đầu. Tín hiệu này sẽ qua bộ biến đổi điện- quang
51
E/O, thành tín hiệu quang và tiếp tục đợc truyền qua sợi quang tới đích. Tóm lại là
việc sửa dạng và tăng cờng công suất của tín hiệu quang đợc thực hiện bằng phơng
pháp điện.
3.1.2. Đặc điểm của thông tin sợi quang

- Tính chỗng nhiễu cao và bảo mật tốt là hai yêu cầu rất quan trọng trong thông tin.
Ngời ta đã tính toán về kinh tế khi sử dụng hệ thống sợi quang để thông tin, thực
tế hiệu quả hơn nhiều so với sử dụng cáp điện. Bởi lẽ hệ thống rất bền, ít hỏng hóc, tồn
tại rất lâu, hiệu quả truyền tin lại lớn. Thậm chí ngay cả các mạch điện thoại trong
chung c cũng cho thấy hiệu quả kinh tế của hệ thống.
3.2. Đặc điểm của ánh sáng trong thông tin sợi quang
3.2.1 Phổ điện tử
ánh sáng dùng trong các mạng sợi quang là một loại năng lợng điện từ. Năng
52
lợng này dới dạng sóng có thể lan truyền trong chân không, không khí và xuyên qua
một vài dạng vật liệu nh thủy tinh v.v Một thuộc tính quan trọng của bất kỳ sóng
năng lợng vào là bớc sóng . là khoảng cách sóng lan truyền đợc trong một chu
kỳ T. Tất cả các sóng từ giải radio, sóng viba, radar, ánh sáng nhìn thấy, tia X, tia
gamma đều là sóng điện từ. Tập hợp tất cả sóng điện từ, từ bớc sóng dài đến bớc
sóng ngắn gọi là phổ điện từ. Tất cả chúng đều lan truyền trong chânkhông với vận
tốc C=300.000 km/s (chính xác là 2,9979 x 10
8
/s). Trong môi trờng có chiết suất khúc
xạ là n, thì vận tốc ánh sáng sẽ là v=c/n; môi trờng không khí coi chiết suất khúc xạ
n=1.
Giải sóng từ 400nm đến 700 nm là ánh sáng nhìn thấy (1nm=10
-9
m). ánh sáng có
bớc sóng lớn gần 700nm có mầu đỏ. Các sóng mà mắt không nhìn thấy đợc dùng để
truyền dữ liệu có bớc sóng lớn hơn 700nm một chút, đợc gọi là hồng ngoại. Bớc
sóng ánh sáng dùng để truyền dữ liệu trong sợi quang là 850nm, 1310nm, 1550nm.
Các bớc sóng này truyền trong sợi quang tốt hơn các bớc sóng khác.
3.2.2 Cách lan truyền ánh sáng trong sợi quang
Sóng điện từ phát ra từ một nguồn, chúng di chuyển theo một đờng thẳng. Các
đờng thẳng này đi ra từ nguồn gọi là các tia. Các tia sáng truyền thẳng trong môi

n
1
=sin
i
=n
2
sin
t
(3.1)
vì n
1
>n
2
nên
t
>
i

Nếu tăng
i
thì
t
cũng tăng,
i
tăng đến lúc
t
=90
o
, thì sẽ xảy ra hiện tợng phản
xạ toàn phần, tia sáng không còn đi vào môi trờng có chiết suất n

trờng thay đổi theo phơng vuông góc với phơng sóng lan truyền. Tập hợp tất cả các
điểm có cùng một cờng độ điện trờng tại một thời điểm tạo ra mặt đẳng pha. ánh
sáng lan truyền trong sợi quang dựa trên nguyên tắc phản xạ toàn phần giữa các mặt
biên. Muốn tồn tại đợc, chúng phải là nguồn sáng kết hợp.
Để hiểu tính kết hợp của nguồn sáng, ta xét một sóng ngang lan truyền dọc theo sợi
dây bị ghim cố định ở hai đầu hình 3.4. Từ hình 3.4 cho thấy một sóng bị giới hạn ở
hai biên, sau khi lặp lại các phản xạ các sóng lan truyền theo hớng ngợc lại và
chồng lên các sóng khác (hình 3.4.a và 3.4.b). Hiện tợng sóng này chồng lên sóng kia
gọi là sự giao thoa. Trong các trờng hợp này biên độ sóng đợc tăng lên do giao thoa.
Nếu gọi l là chiều dài của sợi dây, trờng hợp hình 3.4.a tơng ứng với l=/2, hình
3.5.b tơng ứng với l=2/2. Còn trờng hợp hình 3.4.c tơng ứng với ln/2 (n=1,2,3).
Các sóng phản xạ không chồng lên nhau. Chúng có pha dao động khác nhau tại các
điểm trên dây. Chúng triệt tiêu nhau đến mức biên độ của sóng thu đợc giảm tới giá
trị 0.
Vậy khi thỏa mãn điều kiện:
l=n/2 (với n=1,2,3) (3.2)
tức là độ dài của sợi dây bằng bội số nguyên lần nửa bớc sóng thì sóng đợc duy trì
và tạo ra sóng đứng. Cách dao động của dây tơng ứng với một sóng đứng gọi là một
mode dao động của dây. Hai đầu dây (hình 3.4.a) cùng với trung điểm của dây (hình
3.4.b) gọi là nút sóng đứng. Tại các nút này, biên độ của dao động luôn bằng 0 và các
nút không chuyển dịch theo thời gian.
Diode phát quang (LED) và laser diode(LD) tạo nên các nguồn sáng cùng pha nhân
tạo, bởi vì sự phát xạ ánh sáng cỡng bức của các nguyên tử cùng một pha. ánh sáng
mà có sóng cùng pha với sóng khác theo mặt thẳng đứng với phơng truyền sóng đợc
gọi là ánh sáng kết hợp không gian. ánh sáng do LED và LD tạo ra là ánh sáng kết
hợp không gian, đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì sợi quang truyền tải tín hiệu trên
một mode truyền dẫn trong lõi chịu ảnh hởng của giao thoa.
ánh sáng phát ra từ các đèn thông thờng, không có tính kết hợp không gian, nên
không thể dùng cho thông tin quang.
Ngoài tính kết hợp không gian, còn một yếu tố khác để tăng tính kết hợp của ánh

2
Dng súng thu c
do chng cht
Súng i v
bờn phi
Súng i v
bờn trỏi

c) trng hp khụng to ra súng ng
Hình 3.4. Sóng đứng sinh ra ở sợi dây 2 đầu cố định
3.3 Sợi quang
3.3.1 Sợi quang và cách lan truyền ánh sáng trong sợi quang
Sợi quang
55
Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng, bao gồm hai chất điện môi trong suốt khác
nhau (điện môi nh thủy tinh hoặc nhựa). Một phần (nằm giữa sợi) cho ánh sáng
truyền trong đó gọi là lõi, phần còn lại là lớp nh bao quanh lõi. Sợi quang đợc cấu
tạo sao cho ánh sáng đợc truyền dẫn chỉ trong lõi sợi, bằng phơng pháp sử dụng
hiện tợng phản xạ toàn phần. Hiện tợng này đợc tạo nên do cấu trúc lớp phủ có
chiết suất nhỏ hơn lõi khoảng (0,2ữ0,3). Đờng kính lớp phủ khoảng 0,1 mm, còn lõi có
đờng kính nhỏ hơn nhiều, cỡ từ 10 đến 60 àm. So với bớc sóng truyền tải, nó lớn hơn
khoảng vài chục lần. Đờng kính này đợc xác định tùy theo yêu cầu truyền dẫn và
đặc tính cơ học.
Đờng lan truyền ánh sáng trong sợi quang
ánh sáng từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ. Muốn đa ánh sáng vào
sợi quang cần phải đợc tập trung lại. Tuy nhiên không phải tất cả ánh sáng tập
trung đều có thể đa vào sợi mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất
định mới có thể đa vào.

Hình 3.5 Góc nhận của sợi quang

==


vì n
1
n
2
, góc mở lớn nhất sẽ là:
== 2sin
1
2
2
2
1max
nnn

(3.3)

Với
1
21
n
nn
=
là độ lệch chiết suất tơng đối.
sin
max
cho ta biết điều kiện đa ánh sáng vào sợi quang. Nó là thông số cơ bản
quyết định đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang:
ví dụ: n

Trái lại, với những tia sáng có góc

nằm trong khoảng
10

<<
thì không tạo ra
sóng đứng.
Bởi vậy các góc phản xạ cho phép ánh sáng truyền trong sợi quang bị giới hạn trong
một số giá trị nhất định. Đờng truyền của ánh sáng, tạo cho ánh sáng lan truyền
đợc trong sợi quang, tơng ứng với góc phản xạ xác định, cũng nh phân bố điện
trờng xác định đợc góc là mode lan truyền. Mode lan truyền là con đờng mà tia
sáng có thể theo khi đi trong sợi. Số lợng các mode lan truyền bị giới hạn do điều kiện
phản xạ toàn phần và phân bố điện trờng xác định. Các mode có tên là lan truyền
bậc 0, bậc 1, bậc 2 và bậc (N-1), theo trình tự bắt đầu từ góc

nhỏ nhất.
3.3.3 Số lợng mode lan truyền và bớc sóng cắt
Nếu gọi số mode lan truyền trong sợi quang là N, thì mode lan truyền bậc cao nhất
là (N-1), tơng ứng với góc phản xạ gần bằng góc tới hạn. Nếu gọi góc tới hạn là
c

thì
số lợng mode lan truyền lớn nhất N phải thoả mãn điều kiện
2
sin2


Na
c

n


=

nên:
2
2
2
1
0
4
nn
a
N

(3.5)
Từ (3.5) cho thấy số mode lan truyền phụ thuộc vào kích thớc a của lõi, bớc sóng
lan truyền
0

và sự chênh lệch về chiết suất n
1
, n
2
. Khi tính theo biểu thức (3.5), sẽ lấy
N là số nguyên gần nhất với kết quả.
Ví dụ 1: cho n
1
=1,475; n

Đối với một sợi quang đã cho, tức là có n
1
, n
2
, và a xác định, số mode lan truyền N
sẽ phụ thuộc vào bớc sóng

. Do vậy sợi quang có thể đợc sử dụng nh sợi đơn
mode ở bớc sóng này, thì đối với bớc sóng ngắn hơn, nó không còn là sợi đơn mode
nữa.
Bớc sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc nh sợi đơn mode đợc gọi là bớc
sóng cắt và ký hiệu
c

.
c

đợc tính theo phơng trình sau:
2
2
2
1
4 nna
c
=

(3.6)
Tính toán trên áp dụng cho trờng hợp ống dẫn sóng là vuông (phẳng), trong thực
tế ống dẫn sóng là hình trụ, thì:
21

c
à
22,1
<
.
3.4. Phân loại và cấu trúc sợi quang
3.4.1 Phân loại sợi quang
Sợi quang đợc phân loại theo 3 cách sau đây: Theo vật liệu sử dụng, theo mode
truyền dẫn, theo phân bố chiết suất.
Phân loại theo vật liệu điện môi: Theo vật liệu điện môi sử dụng thì sợi quang gồm
3 loại:
Sợi quang thạch anh
Sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO
2
), mà còn
có các tạp chất thêm vào nh Ge, B và F v.v... để làm thay đổi đọ chiết suất khúc xạ.
Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu, chứa thành phần chủ yếu là soda lime, thuỷ tinh
hoặc thủy tinh boro-silicat v.v...
Sợi quang bằng nhựa: vật liệu sản xuất sợi quang bằng nhựa, silicon resin, acrelic
resin (tức là polymethyl metha crylate: PMMA), thờng đợc sử dụng nhiều .
Đối với mạng lới viễn thông, sợi quang thuỷ tinh thạch anh đợc dùng nhiều nhất,
bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao nhỏ, các đặc tính truyền dẫn ổn
định trong thời gian dài.
Các sợi bằng nhựa thờng đợc sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn,
khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công (dễ hàn, không
phơng hại khi bị bẻ cong) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém.