MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thơng tin được phát triển
mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thơng tin
trên tồn thế giới. Các mạng thơng 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 thơng tin
ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ
thống truyền dẫn kể trên khơng tổ chức được các luồng kênh cực lớn.
Đối với kỹ thuật thơng 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% tồn bộ hệ thống
truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thơng thế giới là cáp
quang hố 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 cơng nghệ
hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hồn thành
vơ hố 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 hố mạng thơng 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 thơng số của
nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác
định chính xác các thơng số của nó.
Thơng thường, thơng số của sợi quang đã được xác định do nhà sản
xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi cơng, lắp đặt, sử dụng… ta
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
cng cn o c li vi thụng s cn thit cho mt tuyn cỏp si quang
nh : suy hao ton tuyn, suy hao trung bỡnh, suy hao hn ni, suy hao

phỏt minh ra laser lm ngun phỏt quang ó m ra mt thi k mi cú
ý ngha rt to ln trong lớch ca k thut thụng tin s dng di tn s
ỏnh sỏng. Vo thi im ú, hng lot cỏc thc nghim v thụng tin trờn
bu khớ quyn c tin hnh ngay sau ú. Tuy nhiờn, chi phớ cho cỏc
cụng vic ny quỏ tn kộm, kinh phớ cho vic sn xut cỏc thnh phn
thit b vt qua c cỏc cn tr do iu kin thi tit t nhiờn ó gõy
ra l con s khng l. Chớnh vỡ vy cha thu hỳt c s chỳ ý ca mng
li.
Bờn cnh ú, mt hng nghiờn cu khỏc ó to c h thng
truyn tin ỏng tin cy hn thụng tin qua khớ quyn l s phỏt minh ra si
dn quang. Cỏc si dn quang ln u tiờn c ch to mc dự cú suy
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
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
các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống
thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông
tinâcps kim loại là :
-Suy hao truyền dẫn rất nhỏ.
-Bằng tần truyền dẫn lớn.

theo hng ny. Theo quan nim thng nht nh vy, ta cú th xem xột
cu trỳc ca tuyn thụng tin quang bao gm cỏc thnh phn chớnh nh
hỡnh 1.1 di õy :

Hỡnh 1.1. Cỏc thnh phn chớnh ca tuyn truyn dn cỏp si quang.
B thu quang
Mch
iu
khin
Ngun
phỏt
quang
u thu
quang
Chuyn
i tớn
hiu
Tớn hi
u
in vo

Tớn hi
u
in ra
B phỏt quang
Si
quang

1550nm. Ba vựng bc súng ny c s dng cho cỏc h thng thụng tin
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
quang v gi l cỏc vựng ca s th nht, ca s th hai v ca s th ba
tng ng.
Thit b phỏt quang cú nhim v phỏt ỏnh sỏng mang tớn hiu vo
ng truyn si quang. Cu trỳc thit b phỏt quang gm cú ngun phỏt
quang, mch iu khin in, v mch tip nhn tớn hiu u vo. Ngun
phỏt quang thit b phỏt cú th s dng ioe phỏt quang (LED) hoc
Laser bỏn dn (LD). Tớn hiu u vo thit b phỏt dng s hoc ụi
khi cúdng tng t s c tip nhn a vo phn iu khin. Mch
iu khin thc hin bin i tớn hiu in di dng in ỏp thnh xung
dũng. Cuicựng ngun phỏt s thc hin bin i tớn hiu in ny thnh
tớn hiu quang tng ng v phỏt vo si quang. Hỡnh 1.2 l s khi
ca thit b phỏt quang.
Hỡnh 1.3. S thit b phỏt quang
Tớn hiu ỏnh sỏng ó c iu ch ti ngun phỏt quang s lan
truyn dc theo si dn quang ti phn thu quang khi truyn trờn si
dn quang, tớn hiu ỏnh sỏng thng b suy hao v mộo do cỏc yu t hp
th, tỏn x, tỏn sc gõy nờn. B tỏch súng quang phn thu thc hin
trc tip nhn ỏnh sỏng v tỏch ly tớn hiu t hng phỏt ti. Tớn hiu
quang c bin i trc tip tr li thnh tớn hiu in. Cỏc photodiụt
PIN v photodiode thỏc APD u cú th dng lm cỏc b tỏch súng
quang trong cỏc h thng thụng tin quang, c hai loi ny u cú hiu sut
lm vic cao v cú tc chuyn i nhanh. Cỏc vt liu bỏn dn ch to
nờnghiờn cuỏc b tỏch súng quang s quyt nh bc súng lm vic ca
chỳng v uụi si quang u vo ca cỏc b tỏch súng quang cng phi
phự hp vi si dn quang c s dng trờn tuyn lp t. Yu t quan

1.1.3. Nhng u im v ng dng ca thụng tin si quang.
So vi dõy kim loi, si quang cú nhiu u im ỏng chỳ ý l :
-Suy hao thp : Cho phộp kộo di khong cỏch tip vn v do ú
gim c s trm tip vn.
-Di thụgn tin rt rng : cú th thit lp h thng truyn dn tc
cao.
-Trng lng nh, kớch thc nh : d lp t v chim ớt ch.
-Hon ton cỏch in : khụng chu nh hng ca sm sột.
-Khụng b can nhiu bi trng in t : vn hot ng trong vựng
cú nhiu in t mnh.
-Vt liu ch to cú rt nhiu trong thiờn nhiờn. tỏch súng
photodiode
Khuch
i


i

u ch

nh

Quyt nh

Tớn hiu ra
C
n =

n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s
V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s.
Vì V ≤ C nên n ≥ 1.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Chit sut ca mt mụi trng ph thuc vo bc súng ca ỏnh
sỏng truyn trong nú.
Cỏc ngun quang dựng trong thụng tin quang phỏt ra anhsangs trong
mt khong hp ch khụng phi ch cú mt bc súng. Do ú vn tc
truyn ca nhúm ỏnh sỏng ny c gi l vn tc nhúm Vnh v chit
sut mụi trng cng c ỏnh giỏ theo chit sut nhúm : n
nh.


d
dn
nn
nh
=

1.2.1.2. S phn x v khỳc x ỏnh sỏng.
Khi tia sỏng truyn trong mụi trng 1 n mt ngn cỏch vi mụi
trng 2 thỡ tia sỏng tỏch thnh 2 tia mi : mt tia phn x li mụi trng
1 v mt tia khỳc x sang mụi trng 2. Tia phn x v tia khỳc x quan
h vi tia ti nh sau :
-Cng nm trong mt phng ti (mt phng cha tia ti v phỏp
tuyn ca mt ngn cỏch ti im ti).

1
>
2
: Tia khỳc x góy v phớa gn phỏp tuyn
-Nu n
1
> n
2
thỡ
1
<
2
: Tia khỳc x góy v phớa gn phỏp tuyn
hn.
Trng hp n
1
> n
2
, nu tng
1
thỡ
2
cng tng v
2
luụn ln
hn
1
. Khi
2
= 90

thth
==

Hỡnh 1.6. S phn x ton phn.
1.2.2. S truyn dn ỏnh sỏng trong si quang.
1.2.2.1. Nguyờn lý truyn dn chung.
ng dng hin tng phn x ton phn, si quang c ch to
gm mt lừi (core) bng thu tinh cú chit sut n
1
v mt lp v phn
x(Clalding) cng bng thu tinh cú chit sut n
2
vi n
1
> n
2
(hỡnh 1.7),
ỏnh sỏng truyn trong lừi si quang s phn x i phn x li nhiu ln
(phn x ton phn) trờn mt tip giỏp gia lừi v lp v phn x . Do ú
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
ỏnh sỏng cú th truyn c trong si cú c ly di ngay c khi si b un
cong nhng vi mt cong cú gii hn.
th
)
m n
0
= 1 (chit sut ca khụng khớ
sin (90
0
-
th
) = cos
th
)
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
1
2
2
1
2
2
20
;1sin190(
n
n
viSin
n
n
Sin
ththth
=−=−=−
θθθ

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.





∆−
=
2
2
1
1
]][1[
n
a
r
n
n
g
r
; r ≤ a (trong lõi) ; a < r ≤ b (lớp bọc)
Trong đó : n
1
: là chiết suất lớn nhất ở lõi

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
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
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.
1.2.3.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI).
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol.





≤<
≤∆−
=
bran
ar
a
r

gian truyn 1 km ch khong 0,1ns.
Cn lu ý rng gúc m u si GI cng thay i theo bỏn kớnh r
vỡ n
1
l hm n
1
(r).
NA
a
r
NAnrnSin
r
==
22
21)(
)(1)(


Trờn tr

c s

i : r = 0 thỡ
(O)
=
max
.
Trờn m

t giao ti

ng chi

t su

t khỏc n

hm

ỏp

ng nhu c

u

c bi

t nh

:
*D

ng gi

m chi

t su

t l

p b


t vo,

i

u ny tang suy hao. D

ng gi

m chi

t su

t
l

p b

c nh

m

m b

o

l

ch chi



c t

ng c

ng c

a s

i quang s

tri

t tiờu

b

c
súng g

n 1300 nm. Ng

i ta cú th

d

ch

i



c.
V

i m

c

ớch lm gi

m

tỏn s

c c

a s

i quang trong m

t kho

ng
b

c súng. Ch

ng h

n


m ch

ch

a

a ra th

c t

.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN

Hỡnh 1.12 : Cỏc d

ng chi

t su

t

c bi

t.
1.2.4. Si a mode v n mode
:

ng lý thuy

t tia sỏng

c ỏp d

ng vỡ nú

n gi

n, d


hỡnh dung. Song c

ng cú nh

ng khỏi ni

m khụng th

dựng lý thuy

t tia


di

n t


cú th

ỏp d

ng cỏc ph

ng
trỡnh Maxwell v

i

i

u ki

n biờn c

th

c

a s

i quang

xỏc

nh bi

u

Trong khuụn kh

cú h

n, ta s

khụng trỡnh by cỏc b

c gi

i
ph

ng trỡnh maxwell m ch

nờu lờn cỏc thụng s

rỳt ra t

k

t qu

cú
liờn quan

n

c tớnh truy


i theo nhi

u

ng, tr

ng thỏi

n

nh
c

a cỏc

ng ny

c g

i l nh

ng mode. Cú th

hỡnh dung g

n

ỳng
m


i ph

thu

c cỏc thụng s

c

a s

i,
trong

ú cú th

a s

V.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
NAakNAa
n
V
2
==


Trong

ú : a : l bỏn kớnh lừi s


c trong s

i tớnh g

n

ỳng
nh

sau :
2
.
2
2
+

g
gV
N

Trong

ú : V : l th

a s

v.
g : l s

m


V

i chi

t su

t gi

m d

n (GI) cú g = 2 thỡ s

mode
4
2
V
V =

Vớ d

: m

t s

i quang lo

i GI (g = 2), v

i a = 25 àm , NA = 0,2

4
22
==
V
N

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
S

i cú th

truy

n

c nhi

u mode

c g

i l s

i

a mode v s

i
ch


l

n nờn th

a s

V v
s

mode N c

ng l

n. Cỏc thụng s

c

a lo

i s

i

a mode thụng d

ng
(50/125 àm) l :
-

ng kớnh lừi : d = 2a = 50àm


u lm vi

c

b

c súng = 0,85 àm thỡ :
382
2

2
1
== naNAaV





V s

mode truy

n

c trong s

i l : (N

u l s


t gi

m
d

n (Hỡnh 1.13).
Hỡnh 1.13 : Kớch th

c s

i

a mode theo tiờu chu

n CCITT
(50/125àm).
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
1.2.4.2. S

i

n mode (Sà) : single mode).
Khi gi

n mode. Trờn lý thuy

t, s

i lm vi

c

ch





n mode khi th

a s

V < V
C1
= 2,405.
Vỡ ch

cú m

t mode súng truy

n truy

n trong s


c (Hỡnh 1.14).
Cỏc thụng s

c

a s

i

n mode thụng d

ng l :
-

ng kớnh lừi : d = 2a - 9àm ữ 10àm
-

ng kớnh l

p b

c : D = 2b - 125àm
-

l

ch chi

t su


i

a mode v

n mode s



c phõn
tớch

ph

n sau,



õy ch

so sỏnh nh

ng nột n

i b

t c

a hai lo



i s

i GI),

c bi

t

b

c súng = 1300 nm

tỏn s

c c

a s

i

n
mode r

t th

p ( ~ 0); Do

ú d


c

u ngy nay

u cú th



ỏp

ng v do

ú s

i

n mode

c dựng ph


bi

n.
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG
2.1. SUY HAO TRONG SỢI QUANG.
2.1.1. Định nghĩa :
Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý với quy
luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm


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.

2.1.2. Đặc tuyến suy hao.
THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại sợi
nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung. Một đặc tuyến
điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau :


Thu tinh silica (SiO
2
) hin nay c s dng ch to s quang
cú cỏc nh cng hng nm trong vựng vin hng ngoi 10àm n 20
àm, khỏ xa vựng bc súng s dng hin nay cho thụng tin quang l t
0,8àm n 1,6àm hoc trong vựng lõn cn.
Tuy vy, hin tng cng hng hp th hng ngoi cng cũn nh
hng suy hao cỏc bc súng gn phớa trờn bc súng 1,6àm. Ngi ta
thy rng t bc súng 1,6àm tr lờn thỡ suy hao tng rt nhanh theo bc
súng.
Nh vy, bn thõn thu tinh tinh khit cng hp th ỏnh sỏng trong
vựng cc tớm v vựng hng ngoi. hp th thay i theo bc súng
nh hỡnh 2.3. S hp th trong vựng hng ngoi gõy tr ngi cho khuynh
hng s dng cỏc bc súng di trong thụn tin quang.

Hỡnh 2.3. Suy hao do hp th vựng cc tớm v hng ngoi.
*Do tp cht kim loi :
THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Trong thc t , vt liu ch to khụng hon ton tinh khit m cú
ln cỏc ion kin loi nh : Fe, Cu, Cr, Mn, Ni, Co Cỏc tp cht ny l
mt trong nhng ngun hp th nng lng ỏnh sỏng. Hin nay, cỏc h
thng truyn dn quang ch yu lm vic bc súng 1,3àm v 1,55àm
nhng suy hao cỏc bc súng ny li rt nhy cm vi s khụng tinh
khit ny ca vt liu.
Mun t c si quang cú suy hao di 1dB/km cn phi cú
thu tinh tht tinh khit vi nụng tp cht khong qua mt phn t (10
-

thnh nhng ngun im tỏn x. Cỏc tia sỏng truyn qua nhng ch
khụng ng nht ny s to ra nhiu hng ch mt phn nng lng ỏnh
sỏng truyn theo hng c, phn cũn li truyn theo cỏc hng khỏc nhau,
thm chớ truyn ngc v phớa ngun quang.
Mt c im quan trng ca tỏn x Rayleigh l t l nghch vi lu
tha bc 4 ca bc súng (
-4
) nờn gim rt nhanh v phớa trc súng di
nh hỡnh 2.4.

TX
() =
TX
() .
4
0
)(



Trong ú :
TX
(
0
) : l h s tỏn x ti bc súng mu
0
xỏc nh
theo vt liu ch to si.
(dB/km)
5