Thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang vinh dùng luận văn tốt nghiệp đại học

Qua chương này, chúng ta sẽ biết được thành phần, cấu tạo của sợi và cáp sợi quang.Ngoài ra, nó còn đi sâu vào nguyên lý truyền dẫn sáng của sợi quang – yếu tốquan trọng nhất để hình thà

Trờng đại học vinh Khoa Điện Tử Viễn Thụng

===  ===

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN THễNG TIN QUANG - DÙNG

GV hớng dẫn: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

SV thực hiện: Nguyễn Chớ Dũng Lớp: 47K - ĐTVT

Vinh – 2011 2011

M c l c ục lục ục lục

Túm tắt đồ ỏn 5

Danh sỏch hỡnh vẽ 6

Danh sỏch bảng biểu 7

Thuật ngữ viết tắt 8

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thụng tin quang 10

1.1 Khái niệm 10

1.2 Lịch sử phát triển 11

1.3 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 13

1.4 Phân loại hệ thống 15

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang 15

1.5.1 Ưu điểm 15

1.5.2 Nhược điểm 16

1.6 Ứng dụng và xu thế phát triển 17

Chương 2 Sợi quang và cáp sợi quang 18

2.1 Sợi quang 18

2.1.1 Cấu tạo 18

2.1.2 Phân loại 19

2.1.3 Nguyên lý truyền sáng trong sợi quang 27

2.1.4 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang 32

2.2 Cáp sợi quang 38

2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 38

2.2.2 Cấu trúc cáp quang 39

2.2.3 Phân loại và ứng dụng 41

Chương 3 Các linh kiện biến đổi quang điện 44

3.1 Các nguyên lý biến đổi quang điện 44

3.2 Thiết bị phát quang 45

3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 46

3.2.2 Diode phát quang LED 47

3.2.3 Laser diode LD 50

3.3 Thiết bị thu quang 52

3.3.1 Photodiode PIN 52

3.3.2 Photodiode thác APD 53

3.3.3 Đặc tính kỹ thuật của Photodiode 54

Chương 4 Một số thiết bị quang trên thị trường 57

4.1 Các khuyến nghị ITU 57

4.2 Cáp sợi quang 59

4.2.1 Cáp Vcom FTTH SMF 59

4.2.2 Cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm 60

4.3 Thiết bị thu phát quang 62

4.3.1 Fujitsu FLX 150/600 62

4.3.2 Fujitsu FLX 600A (VFT) 63

4.3.3 Fujitsu Flashwave 4270 63

Chương 5 Thiết kế tuyến cáp quang Vinh – Dùng dung lượng yêu cầu 622Mbp/s (STM-4) 65

5.1 Chọn tuyến 65

5.2 Chọn bước sóng làm việc 65

5.3 Chọn cáp 65

5.4 Chọn thiết bị 65

5.5 Tính toán thiết kế tuyến 66

5.5.1 Yêu cầu về quỹ thời gian lên 67

5.5.2 Yêu cầu về quỹ công suất 68

Chương 6 Chương trình hỗ trợ thiết kế tuyến thông tin quang 70

6.1 Lưu đồ thuật toán 70

6.2 Thiết kế giao diện chương trình 71

6.3 Kết quả 72

Kết luận 74

Lời nói đầu

Hệ thống thông tin bằng cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹthuật và công nghệ tiên tiến nhất, nó cho phép tạo ra các tuyến truyền dẫn dài

và dung lượng rất lớn có chất lượng cao Ngoài ra, hệ thống thông tin quangcòn chứa những ưu điểm vượt trội hơn mà không một hệ thống nào sánhđược, chính vì lẽ đó mà ngày nay thông tin quang đã trở thành tuyến truyềndẫn trọng yếu nhất trên mạng lưới viễn thông

Hiểu được điều này nên khi nhận đồ án tốt nghiệp, tôi đã lựa chọn đềtài “Thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang Vinh – Dùng” với mục đích là

để tìm hiểu về hệ thống thông tin quang được sâu hơn nữa

Do thời gian có hạn và những vấn đề về thông tin quang lại rất sâu,rộng nên tập đồ án này không thể tránh được những sai sót nhất định Kínhmong được sự chỉ bảo của thầy cô cũng như sự góp ý chân tình của các bạn

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được gia đình, bạn bè, ngườithân động viên và khích lệ Nhân đây tôi có lời cảm ơn tới mọi người và đặc

biệt là TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Người đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn

tôi hoàn thành đề tài này

Vinh, 16/05/2011

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Chí Dũng

Chương một trình bày một cách tổng quan về hệ thống, đưa ra khái

niệm, quá trình phát triển của lĩnh vực thông tin quang, mô hình cấu trúc vànêu rõ ưu – nhược điểm của hệ thống, giúp cho chúng ta có cách nhìn sơ lược

và tổng quát nhất

Chương hai trình bày về sợi quang và cáp sợi quang Qua chương

này, chúng ta sẽ biết được thành phần, cấu tạo của sợi và cáp sợi quang.Ngoài ra, nó còn đi sâu vào nguyên lý truyền dẫn sáng của sợi quang – yếu tốquan trọng nhất để hình thành hệ thống truyền dẫn quang

Chương ba trình bày về các linh kiện biến đổi quang điện Từ đây

chúng ta có thể nắm bắt được cấu trúc, nguyên lý cũng như các đặc tính củathiết bị phát và thu quang

Chương bốn tìm hiểu về một số thiết bị quang trên thị trường.

Chương này trình bày về đặc tính và thông số kỹ thuật của một số loại thiết

bị, giúp cho người kỹ sư có thể lựa chọn để thực hiện cho công việc thiết kế

Chương năm cũng là chương chủ đề của đồ án, chương này trình bày

các bước thiết kế và nội dung chủ đạo là thiết kế tuyến truyền dẫn quang Vinh– Dùng

Chương sáu trình bày về công cụ hỗ trợ cho việc tính toán để thiết kế

tuyến truyền dẫn thông tin quang do tác giả tự biên soạn

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang 11Hình 2.1 Cấu trúc sợi quang sử dụng trong viễn thông 19Hình 2.2 Dạng phân bố chiết suất trong lõi sợi SI 21

Hình 2.4 Mặt cắt sợi đa mode chiết suất gradient 26

Hình 2.13 Sự sắp đặt khác nhau các thành phần gia cường trong cáp 40

Hình 3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 47

Hình 6.3 Giao diện phần tính toán theo quỹ công suất 71Hình 6.4 Giao diện phần tính toán theo quỹ thời gian lên 72Hình 6.5 Kết quả khi chạy chương trình cho tuyến Vinh - Dùng 73

Danh sách bảng biểu

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ bản của G.651.1 (07/2007) 58Bảng 4.2 Các chỉ tiêu cơ bản của G.652.A (11/2009) 59

Bảng 4.4 Đặc tính kỹ thuật của cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm 61Bảng 4.5 Thông số truyền dẫn của cáp Nexan 8 sợi 50/125μmm 61Bảng 4.6 Các thông số kỹ thuật của thiết bị FLX 600A 63

Thuật ngữ viết tắt

APD Avalanche photodiode Diode tách sóng thác

EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi có pha

tạp erbium

FTTH Fiber to the home Sợi quang tới tận nhà

GVD Group velocity dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

IM-DD Intensity modulation – direct

detection

Điều biến cường độ - tách sóng trực tiếp

LASER Light amplication by

stimulate emission of radiation

Khuếch đại ánh sáng bởi kíchthích phát ra bức xạ

LED Light emitting diode Diode phát quang

OADM Optical add/drop multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quangOTN Optical transport network Mạng truyền dẫn quangPCS Plastic clad silica Sợi thủy tinh vỏ chất dẻoPDH Plesiochronous digital

SM Single mode Đơn mode

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thông,truyền số liệu, truyền hình cáp… Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời

và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tinquang, các ưu – nhược điểm của cáp sợi quang và các lĩnh vực ứng dụng côngnghệ thông tin sợi quang

1.1 Khái niệm

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyềnthông tin từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vàitrăm mét tới hàng trăm kilomet và thậm chí là vượt đại dương Thông tin cóthể được truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau từ vàiMHz cho tới hàng trăm THz Thông tin quang là hình thức thông tin sử dụngtần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóngđiện từ Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánhsáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin [1]

Có hai loại hình thức chính là thông tin quang vô tuyến và thông tinquang hữu tuyến

Thông tin quang vô tuyến là hình thức truyền thông tin bằng ánh sángtrong môi trường truyền dẫn là không gian khí quyển trái đất hoặc trong vũtrụ, sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tin Hình thức thông tin quang này

là dạng truyền thống được con người sử dụng từ rất sớm và hiện vẫn đangđược dùng trong một số trường hợp nhất định Ví dụ như: dùng pháo hiệu, cờhiệu, đèn biển, đốt lửa… Hình thức này có nhược điểm là cự ly bị giới hạn dotầm nhìn của mắt người, ảnh hưởng lớn của thời tiết và khí hậu, phụ thuộc lớnvào môi trường truyền dẫn là khí quyển trái đất

Thông tin quang hữu tuyến là dạng thông tin sử dụng môi trườngtruyền dẫn là sợi quang và dùng ánh sáng hồng ngoại có dải sóng λ = 0,8 μmm

÷ λ = 1,6 μmm Đây là hình thức thông tin quang mới xuất hiện nhưng có nhiều

ưu việt nên phát triển nhanh và được ứng dụng rộng rãi Hiện thông tin quangsợi đã trở thành một phần quan trọng không thể thiếu của hệ thống viễn thôngtrên thế giới và trong nước ta

1.2 Lịch sử phát triển

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự pháttriển của loài người khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách radấu Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời,lửa và khói để làm thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đãqua những bước phát triển và hoàn thiện, ta có thể tóm tắt lịch sử phát triểncủa nó bằng những mốc chính sau đây [2]:

- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ đã phát minh ra một

hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống Photophone Ông đã sử dụng ánhsáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếngnói đi Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quangdẫn, selen, nó sẽ biến đổi thông điệp thành dòng điện

- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sángchế về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanhthủy tinh

- Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và NariorgerKapany đã phát triển sợi quang có 2 lớp, bao gồm lớp lõi và lớp bọc

- Năm 1960: phát minh ra laser rắn và sau đó 1973-1977 chế tạo được

là laser bán dẫn và LED tạo ra nguồn phát quang cho tia hẹp, điện áp nguồnnuôi thấp, công suất và dải sóng đáp ứng và phù hợp làm nguồn phát ánh sángcho thông tin quang sợi

- Năm 1967: sản xuất sợi quang có tiêu hao lớn: α =1000 dB/km

- Năm 1970: hãng Corming Glass works (Mỹ) sản xuất thành công sợiquang thạch anh có tiêu hao đạt α = 20 dB/km ở bước sóng λ = 633 nm

(tương đương với tiêu hao của cáp đồng trục) Mở ra khả năng dùng sợiquang làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trở thành hiện thực.

- Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α = 4dB/km

- Từ năm 1979 đã sản suất được các loại sợi quang có tiêu hao thấp đạt

α = 0,2 dB/km, cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ, giátrị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm

- Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn các hệ thống thông tin quang có tốc độbit 34-45Mbit/s hoạt động gần bước sóng 850nm, sử dụng laser bán dẫn GaAs

và cho phép khoảng lặp là 10km Giai đoạn này được thể hiện trong 2 khuyếnnghị G.651 (đặc tính của sợi quang đa mode hoạt động tại 850nm) và G.956(bây giờ là G.955) (đặc tính của các hệ thống thông tin quang hoạt động tại850nm và phù hợp cho các tốc độ bit PDH (Plesiochronous DigitalHierarchy)

- Giai đoạn thứ hai, bắt đầu từ đầu những năm 1980, là giai đoạn pháttriển các hệ thống hoạt động gần 1300nm, suy hao sợi lúc này khoảng dưới1dB/km, tán sắc sợi cũng được giảm thiểu Giai đoạn này được thể hiện trongmột số khuyến nghị, như G.652 (đặc tính của sợi quang đơn mode hoạt độngtại 1300 nm), G.957 (đặc tính của hệ thống hoạt động tại 1300 nm và phù hợpcho truyền dẫn các tốc độ bit SDH với tốc độ tới STM-16 Hơn nữa, phần viếtchính của khuyến nghị G.956 (hiện nay là G.955) đã mở rộng cho cả các hệthống PDH hoạt động tại 1300 nm

- Giai đoạn thứ ba là giai đoạn phát triển của các hệ thống hoạt độnggần và tại bước sóng 1550nm trên sợi đơn mode Một số khuyến nghị đángchú ý trong giai đoạn này là G.653 (đặc tính của sợi đơn mode tán sắc dịchchuyển), G.974 (đặc tính của hệ thống cáp quang biển), các khuyến nghịG.652, G.955 (G.956 cũ) và G.957 được mở rộng cho các hệ thống hoạtđộng ở 1550 nm

- Giai đoạn thứ tư là giai đoạn ứng dụng khuếch đại quang để tăngkhoảng lặp và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng nhằm tăng dung lượng hệ

thống, với các khuyến nghị G.655 (đặc tính của sợi đơn mode tán sắc dịchchuyển không bằng 0), G.694.1 và G.694.2 (các dải phổ cho các ứngdụng DWDM và CWDM), G.959.1, G.698.1, G.698.2, G.696.1, G.973,G.977, G.695.

- Giai đoạn thứ năm là giai đoạn phát triển gần đây với một số đặc điểm

về định hướng phát triển như sau: tăng dung lượng truyền trên một sợi quang,giảm số bộ biến đổi OEO trong mạng truyền tải quang (OTN - OpticalTransport Network), sử dụng nhiều trạm lặp OEO (Optical-electric-optical)thay cho một bộ khuếch đại quang vì lý do chi phí (hướng này thay chohướng thứ 2) Để thể hiện những hướng phát triển này, một số khuyến nghị đã

ra đời, như ITU-T G.656 (sợi có tán sắc khác không sử dụng cho mạng truyềntải quang băng rộng)- mở rộng của G.959.1 cho các hệ thống 40 Gbit/s, G.680(cho phép khai thác các bộ OADM và PXC của nhiều nhà cung cấp và tíchhợp chúng trong một AON mà không cần dùng các bộ biến đổi OEO có chiphí lớn [3]

Từ nay khi nói đến từ “thông tin quang” chúng ta ngầm hiểu là thôngtin quang sợi

1.3 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang sợi điển hình có dạng nhưHình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Hệ thống bao gồm bốn khối chính là: khối thiết bị phát quang, khốithiết bị thu quang, sợi truyền dẫn quang và trạm lặp

Thiết bị phát quang

Trạm

Sợi quang

Sợi quang

- Khối thiết bị phát quang: có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu dạng điện đầuvào thành tín hiệu quang để phát vào sợi quang Ở đây tín hiệu điện vào được

xử lý như ghép kênh điện, mã hóa và điều chế tín hiệu quang Phần tử quantrọng nhất của thiết bị đầu cuối phát quang là bộ phát quang hay là bộ biếnđổi điện-quang E/O Nó là các diode phát xạ ánh sáng LED hay là diode laserbán dẫn LD

- Khối thiết bị đầu cuối thu quang: có nhiệm vụ thu tín hiệu ánh sáng từsợi quang biến trở lại thành tín hiệu dạng điện để đưa đến các thuê bao sửdụng Tại đây, tín hiệu điện sau tách sóng quang lại được giải mã và giải ghépkênh trở về dạng tín hiệu giống như ở lối vào Phần tử quan trọng nhất củakhối này là bộ thu quang hay là bộ biến đổi quang-điện O/E Đó là cácphotodiode PIN hay thác APD

- Sợi quang: là môi trường truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ đầu phát đếnđầu thu Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết caohoặc từ chất dẻo có dạng trụ tròn

- Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suyyếu dần Nếu cự ly quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầuthu hoặc đến được đầu thu nhưng với công suất quá thấp thì cũng coi nhưkhông thể nhận được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp Có hai dạng trạm lặplà: trạm lặp dạng điện quang và trạm lặp dạng khuếch đại quang

+ Trạm lặp dạng điện quang làm việc theo nguyên tắc: đầu tiên tín hiệuquang qua bộ biến đổi quang điện O/E chuyển thành tín hiệu điện, rồi được

bộ sửa dạng và khuếch đại đến mức đủ lớn, cuối cùng đưa qua bộ biến đổiđiện quang E/O để phát ánh sáng đã được điều chế vào sợi quang Đây làtrạm lặp dạng có sự tái sinh tín hiệu

+ Trạm lặp dạng khuếch đại quang dùng bộ khuếch đại quang đểkhuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng đã bị suy hao khi truyền trên đoạn dàisợi quang Trong trạm lặp này không có quá trình biến đổi điện-quang Các

bộ khuếch đại quang được đưa vào sử dụng trong thông tin quang từ năm

1990 và hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghệ thông tin quang

đa kênh WDM Có hai dạng bộ lặp khuếch đại quang là bộ khuếch đại quangloại laser bán dẫn SLA và bộ khuếch đại quang sợi Bộ khuếch đại quangdùng trong trạm lặp của tuyến thông tin quang thường là dạng bộ khuếch đạiquang sợi trộn chất đất hiếm Erbi (EDFA) và bộ khuếch đại quang sợi hiệuứng phát xạ kích thích Ratman (RA)

1.4 Phân loại hệ thống

- Dựa theo tín hiệu truyền dẫn: có hệ thống thông tin quang tương tự và

hệ thống thông tin quang số Thông tin quang số được ứng dụng phổ biến chocác dạng audio, video, data còn thông tin quang tương tự được sử dụng trongtruyền hình cáp

- Dựa theo phương pháp điều chế và giải điều chế: có hệ thống thôngtin quang điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM/DD) và hệ thống thôngtin quang kết hợp (Coherent)

- Dựa theo tốc độ và cự ly truyền dẫn: có hệ thống đường trục(Backborn) hay đường dài (long-haul) có tốc độ và dung lượng bit rất lớn và

cự ly cực dài, hệ thống vùng hay liên đài có tốc độ bit và cự ly trung bình còn

hệ thống nội hạt hay thuê bao có tốc độ bit thấp và cự ly gần

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

1.5.1 Ưu điểm

- Suy hao truyền dẫn của sợi quang thấp, hiện nay cỡ từ 0,2 ÷ 0,5

dB/km, còn cáp đồng trục là cỡ 20 dB/km Suy hao thấp nên cho phép khoảngcách truyền dài hơn, đối với cáp đồng được khuyến cáo là 100m thì đối vớicáp quang khoảng cách đó là 2000m

- Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số củatín hiệu, điều này đồng nghĩa với việc khi truyền dữ liệu có tốc độ càng caothì khoảng cách truyền càng giảm còn cáp quang thì suy hao không thay đổi

theo tần số của tín hiệu [2].

- Băng thông rộng, độ rộng băng của cáp đồng trục cỡ vài chục đếntrăm MHz, trong khi đó của sợi quang lên đến hàng THz (1012Hz) Do đóthông tin quang có thể truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao, dung lượng lớn trên

cự ly dài

- Kích thước và trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn nhiều so với cápđồng trục Điều này thuận tiện cho triển khai lắp đặt tuyến và tiết kiệm giáthành thi công

- Chống can nhiễu tốt vì sợi quang làm việc với tín hiệu ánh sáng,không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, có khả năng chống sét

- Sợi quang được chế tạo từ các vật liệu điện môi nên nó không dẫnđiện và có độ cách điện tốt; không cần thiết phải tiếp đất; ít bị ảnh hưởng củanhiễu xuyên âm vì thế nó có tính an toàn về điện và có thể triển khai lắp đặttrên đường dây cao áp

- Tín hiệu ánh sáng truyền trên sợi quang không bị rò rỉ ra ngoài vì cólớp vỏ hấp thụ hết, nên có tính bảo mật thông tin

- Cáp sợi quang được sản xuất từ vật liệu phi kim loại, sẵn có trong tựnhiên và giá rẻ nên tiết kiệm được các nguồn nguyên vật liệu đắt khác nhưđồng và nhôm

1.5.2 Nhược điểm

- Công nghệ chế tạo sợi quang và các linh kiện thu phát rất hiện đại nêngiá thành còn cao, tuy nhiên khi khối lượng sản xuất ngày càng lớn, theo thờigian và do tiến bộ của công nghệ thì giá thành của cáp và các linh kiện hệthống sẽ giảm dần

- Sợi quang có kích thước nhỏ nên việc đấu nối đòi hỏi phải có kỹ thuậtcao của kỹ thuật viên và thiết bị đi kèm

- Sợi quang được làm bằng thủy tinh nên dòn và dễ gãy

- Vì hiện nay chưa có phương tiện nào để phát hiện mảnh thủy tinh nhỏnằm trong cơ thể nên khi hàn nối sợi quang cần phải tránh mảnh thủy tinhđâm vào Ngoài ra mắt người không cảm nhận được ánh sáng hồng ngoài nênkhông điều tiết được, gây nguy hại cho mắt khi nguồn năng lượng này chiếutrực tiếp vào Vì thế, vấn đề về an toàn lao động là một vấn đề đáng quan tâm[2].

1.6 Ứng dụng và xu thế phát triển

Hệ thống thông tin quang hiện nay được sử dụng cho nhiều ứng dụngkhác nhau Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cápquang để truyền thông giữa các tổng đài, qua thành phố, qua các nước khácnhau và qua những tuyến dài trên biển Hiện nay, ở một số nước đã có kếhoạch mở rộng cáp quang đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ videochất lượng cao

Các công ty truyền hình cáp cũng đang triển khai các đường cáp quangngoài thành phố Trong tương lai cáp quang có thể nối trực tiếp đến các hộ giađình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho người sử dụng Những dịch vụ dựa trênmạng quang như truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làmviệc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã được đưa vào kế hoạch sử dụngtrong tương lai

Với các ưu điểm của sợi quang, nhiều trung tâm máy tính cũng đã sửdụng để cung cấp các đường truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN [4]

Chương 2 Sợi quang và cáp sợi quang

Trong mạng thông tin quang thì môi trường truyền dẫn là sợi quang chonên sợi quang và cáp sợi quang đóng vai trò hết sức quan trọng Đặc tính củachúng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống Vì vậy ta cần phảinghiên cứu kỹ lưỡng về cấu tạo, tính chất và các thông số của sợi quang đểlựa chọn, thiết kế, xây dựng và bảo dưỡng tuyến thông tin cáp sợi quang theocác tiêu chuẩn và yêu cầu đặt ra

2.1 Sợi quang

Sợi quang, hay còn gọi là sợi dẫn quang – là thành phần chính của cáp

có chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng và vì thế, khi mô tả môi trường truyềndẫn quang của hệ thống thông tin quang thì chỉ cần diễn giải trên sợi quang làđủ

2.1.1 Cấu tạo

Sợi quang có cấu trúc như là một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần sốquang, như vậy nó có dạng hình trụ bình thường và có chức năng dẫn sóngánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục của nó Để đảm bảo được

sự lan truyền của ánh sáng trong sợi, cấu trúc cơ bản của nó gồm có một lõihình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanhlõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 < n1 Vỏ làmôi trường tạo ra ranh giới với lõi, ngăn chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài,tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền của sợi [1]

Vật liệu cơ bản để chế tạo lõi và vỏ là Silica (SiO2) Thường dùngGermani dioxide (GeO2) bổ sung vào Silica để làm tăng chỉ số chiết suất củalõi Muốn làm giảm chỉ số chiết suất của vỏ phải dùng chất bổ sung làFluorine Nếu là sợi quang plastic thì dùng hai loại plastic khác nhau để làm

vỏ và lõi Để tránh trầy xước vỏ và tăng độ bền cơ học, sợi quang thườngđược bao bọc thêm một lớp chất dẻo tổng hợp Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn

chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không

bị nứt do kéo dãn hoặc xước do cọ xát bề mặt; mặt khác tạo điều kiện bọc sợithành cáp sau này Lớp vỏ bọc này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp Cấu trúcđầy đủ của một sợi quang sử dụng trong viễn thông được mô tả như Hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc sợi quang sử dụng trong viễn thông

Kích thước của sợi phụ thuộc loại sợi, loại thứ nhất lõi có đường kính2a = 50μmm gọi là sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đường kính 2a ≤ 10μmm gọi

là sợi đơn mode Đường kính vỏ d của các loại sợi đều bằng 125μmm [5] Sợiquang đơn mode hoàn toàn thủy tinh (cả vỏ lẫn lõi) có hệ số mất mát rất nhỏ

và độ rộng băng truyền lớn Loại sợi quang này thông thường được sử dụngcho thông tin đường dài mà ít khi sử dụng cho thông tin đường ngắn Nhữngsợi quang có lõi lớn thường sử dụng cho Y tế và công nghiệp Sợi quang nàythường làm bằng plastic, chắc hơn sợi thủy tinh và giá thành sản xuất rẻ hơn.Tuy nhiên với hệ số mất mát cao, loại sợi này ít được sử dụng trong thông tinquang Với thông tin tầm trung từ 500m đến 1km thông thường sử dụng sợiquang lõi thủy tinh, vỏ plastic, gọi là PCS Cả hai loại sợi quang plastic và sợiquang thủy tinh vỏ plastic đều là sợi dạng bậc đa mode [6]

chiết Gradien GI (Graded Index) Nếu phân chia theo mode truyền dẫn thì cóloại sợi đa mode MM (Multimode) và sợi đơn mode (Single Mode) Như vậy

ta có thể tổng hợp sự phân loại sợi dẫn quang theo Bảng 2.1 sau [1]:

Bảng 2.1 Phân loại sợi dẫn quang

Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc

- Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại sợi theo mode truyền dẫn - Sợi đơn mode

- Sợi đa mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

- Sợi thủy tinh

- Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo

- Sợi thủy tinh nhiều thành phần

- Sợi chất dẻo

Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo mode lan truyền kếthợp với phân bố chiết xuất Theo đó ta phân sợi quang thành ba loại như sau:

- Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc: MM-SI

- Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi Gradient: MM-GI

- Sợi quang đơn mode chiết suất nhảy bậc: SM-SI

2.1.2.1 Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

Về sự phân bố chiết suất trong sợi quang, chiết suất của vỏ không đổi

và bằng n2, chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính của sợi quang(tâm nằm trên trục của lõi) Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viếtdưới dạng tổng quát như sau [2]:

r ≤ a

(2.1)

a ≤ r ≤ bTrong đó:

1

2

1( )

n

n1: chiết suất lớn nhất ở lõi, tức tại r = 0 Hay n(0) = n1

n2: chiết suất lớp bọc

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất

a: bán kính lõi sợi quang

a ≤ r ≤ b

Hình 2.2 Dạng phân bố chiết trong lõi sợi SI

Sợi chiết suất biến đổi GI: Ở dạng này chiết suất của lõi có dạng

parabol (tương ứng với g = 2) [2]

Hình 2.3 Dạng phân bố chiết trong lõi sợi GI

2.1.2.2 Phân loại sợi theo mode truyền dẫn

Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợiquang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng tháitruyền ổn định của các đường này được gọi là các mode sóng Có thể hìnhdung gần đúng một mode ứng với một tia sáng Chúng ta dùng từ bậc (order)

để chỉ các mode Quy tắc như sau: góc lan truyền của mode càng nhỏ thì bậccủa mode càng thấp Rõ ràng mode lan truyền dọc theo trục trung tâm của sợiquang là mode bậc 0 và mode với góc lan truyền là góc tới hạn là mode bậccao nhất đối với sợi quang này Mode bậc 0 được gọi là mode cơ bản

Sợi đa mode MM: đặc điểm của sợi đa mode là truyền đồng thời nhiều

mode sóng Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vàocác thông số của sợi, trong đó có tần số được chuẩn hóa V (NormalizedFrequency) Tần số được chuẩn hóa V được xác định như sau [2]:

λ: bước sóng làm việcNA: khẩu độ số của sợi quangMột cách tổng quát, số mode sóng truyền được trong sợi quang đượcxác định gần đúng như sau:

b a 0 a b r

n1

n2n

Với g là số mũ trong hàm chiết suất Từ đó suy ra:

Số mode truyền được trong sợi SI:

- Đường kính lõi: d = 50μmm

- Đường kính lớp bọc: D = 125μmm

- Gọi là sợi đa mode 50/125 μmm

- Chiết suất lõi: n1 = 1,47 (λ = 1300nm)

- Khẩu độ số: NA = 0,2 ÷ 0,29

Sợi đơn mode SM: là sợi trong đó chỉ có một mode sóng cơ bản lan

truyền Điều kiện để sợi làm việc ở chế độ đơn mode là thừa số sóng V củasợi tại bước sóng làm việc V < Vcl = 2,405 Sợi đơn mode có đường kính lõi

và khẩu độ số nhỏ, giá trị điển hình là [2] :

- Đường kính lõi: d = 9 ÷ 10μmm

- Đường kính lớp bọc: D = 125μmm

- Chiết suất lõi: n1 = 1,465 (λ = 1300nm)

- Khẩu độ số: NA = 0,13 ÷ 0,18

2.1.2.3 Phân loại sợi theo cấu trúc vật liệu

Vật liệu để chế tạo sợi quang được sử dụng là thủy tinh và chất dẻo.Các loại sợi được chế tạo có lõi là thủy tinh suy hao lớn thì dùng cho các cự

ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp; còn sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao nhỏđược dùng rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao và các hệ thống thông tinquang tiên tiến Các loại sợi làm bằng chất dẻo ít được sử dụng hơn vì suyhao của nó thường là lớn hơn các loại sợi thủy tinh, nó chỉ được dùng cho cự

ly ngắn, tốc độ thấp và nơi có tác động cơ học mạnh, ít quan tâm tới chấtlượng truyền dẫn [1].

Sợi thủy tinh: dioxit Silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để tạo rasợi thủy tinh, nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850nm là 1,458 Để tăng vàgiảm chiết suất người ta phải thêm Flo và các oxit khác như B2O5, GeO2,

P2O5 Ở sợi quang chiết suất của lõi lớn hơn vỏ, như vậy ta có thể thấy đượchỗn hợp vật liệu tạo ra các sợi như sau:

- Sợi có lõi GeO2-SiO2 (SiO2 có pha GeO2) và vỏ phản xạ SiO2

- Sợi có lõi P2O5-SiO2 và vỏ phản xạ SiO2

- Sợi có lõi GeO2-B2O3-SiO2 và vỏ phản xạ B2O3-SiO2

- Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2O3-SiO2

Trong thực tế, vật liệu thô của SiO2 chính là cát, một nguồn tài nguyênsẵn có vô tận Thủy tinh chế từ SiO2 tinh khiết ám chỉ tới các loại thủy tinhdioxit Silic và dioxit Silic nóng chảy Chúng có một số đặc điểm quan trọng

là nhiệt độ làm biến dạng chúng vào khoảng 10000C, chúng rất ít bị nở ra khinhiệt độ tăng; có tính bền vững hóa học cao, rất trong suốt ở vùng ánh sángnhìn thấy và vùng hồng ngoại do đó hoàn toàn phù hợp với các hệ thốngthông tin quang sợi Một nhược điểm của chúng là có nhiệt độ nóng chảy caodẫn tới khó khăn khi muốn làm chảy nó trong quá trình chế tạo sợi, tuy nhiênngười ta có biện pháp chế tạo sợi tránh được yếu điểm này là phương pháp sửdụng kỹ thuật lắng đọng hơi

Sợi thủy tinh halogen: là loại sợi thủy tinh thuộc họ halogen từ các

nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoàn, đó là Flo, Clo, Brom và Iot Loạithủy tinh Fluoride này có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng bước sóng giữahồng ngoại (0,2 ÷ 8μmm), suy hao thấp nhất ở khoảng bước sóng quanh2,55μmm Trong quá trình nghiên cứu các nhà khoa học đã tập trung vào phântích các vật liệu thủy tinh Fluoride kim loại nặng trong đó chủ yếu chứa thànhphần ZrF4 Để hoàn chỉnh sợi này, người ta còn thêm một số thành phần khác

có tính chất dung hòa sự kết tinh Trong tất cả các sợi có gốc ZrF4 hứa hẹn

nhất là sợi có cấu tạo ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF gọi là ZBLAN, đây chính làcấu tạo lõi của sợi Để giảm chiết suất, có thể thay một phần ZrF4 bằng HaF4.Ngược lại, muốn tăng chiết suất có thể thêm PbF2 và BiF3.

Loại sợi thủy tinh Florit có độ suy hao thấp, cỡ từ 10-2 dB/km đến 10-3

dB/km tạo ra một tiềm năng lớn cho việc xây dựng các tuyến thông tin tốc độcao cự ly xa tuy nhiên việc chế tạo nó vẫn còn gặp nhiều khó khăn như độ dàichế tạo bị hạn chế

Sợi thủy tinh tích cực: kết quả nghiên cứu về sợi dẫn quang cho ra các

đặc tính từ và quang mới là việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thủytinh thụ động bình thường Đặc tính này cho phép vật liệu sợi có thể khuếchđạo, tiêu hao và làm trễ pha tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi dẫn quang Quátrình pha tạp đất hiếm ở đây có thể xảy ra ở cả sợi dioxit Silic thông thường

và sợi halogen Ngoài hai vật liệu chủ yếu có thể thực hiện quá trình pha tạpnày là Erbium và Neodymium thì còn có một số vật liệu khác

Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo: đối với cự ly ngắn vài trăm mét, loại sợi

này được sử dụng với mục đích giảm chi phí Sợi này còn gọi là sợi thủy tinh

vỏ chất dẻo PCS (plastic-clad silica), vỏ thường được chế tạo từ hỗn hợp chấtpolime có chỉ số chiết suất thấp hơn lõi dioxit Silic Giá trị chỉ số chiết suất vỏnày khoảng 1,405 tại bước sóng 850nm, vật liệu nhựa silicon sẽ thỏa mãn giátrị này và không những vậy nhựa silicone còn tham gia vào việc tạo vỏ bảo vệsợi dẫn quang Thông thường, sợi thủy tinh loại này chỉ tồn tại ở dạng sợi cóchiết suất phân bậc, có đường kính lõi khá lớn (khoảng 150 đến 600μmm) lớnhơn cả lõi sợi gradien tiêu chuẩn 50μmm Sợi này có khẩu độ số rất lớn chophép sử dụng cả các loại nguồn phát quang có góc phát xạ lớn, vì vậy chophép giảm giá thành hệ thống một cách đáng kể

Sợi chất dẻo: là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và vỏ phản xạ

hoàn toàn được cấu tạo từ vật liệu chất dẻo Loại sợi này chỉ đáp ứng cự lytruyền dẫn không quá 100m vì độ suy hao của nó rất lớn Khẩu độ số của sợinày lớn cho phép góc tiếp nhận ánh sáng khoảng 700, đã từng được sử dụng

trong quá khứ với số lượng rất ít.

2.1.2.4 Phân loại theo mode lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất

Phổ biến nhất thì người ta vẫn thường sử dụng phương pháp này đểphân loại sợi quang Theo đó, ta có ba loại sợi quang sau [5]:

Sợi đa mode chiết suất biến đổi MM-GI: trong sợi quang chiết suất

Gradient, chiết suất của lõi không đồng đều như sợi đa mode chiết suất bậc

mà nó giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi-võ theo chiều tăng củabán kính r, còn chiết suất vỏ là một hằng số Trong sợi MM-GI truyền đượcđồng thời nhiều mode sóng, mỗi mode truyền theo dạng đường cong hìnhsine

Hình 2.4 Mặt cắt sợi đa mode chiết suất gradient

Sợi đa mode chiết suất bậc MM-SI: Loại sợi này được đặc trưng bởi

vùng lõi đồng nhất có chiết suất là hằng số n1 và xung quanh nó là vỏ có chiếtsuất là n2 (n1 > n2) Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc MM-SI truyền đồng thờinhiều mode sóng khác nhau với hằng số truyền riêng của mỗi mode

a d/2

n2 n1

n

r

Hình 2.5 Mặt cắt sợi đa mode chiết suất bậc

Mặt cắt dọc của sợi và mặt cắt chiết suất của nó được thể hiện tươngứng như trong Hình 2.4 Vì mặt cắt có hình bậc thang nên gọi là chiết suấtbậc Lõi sợi có đường kính 2a = 50μmm, vỏ sợi có đường kính d = 125μmm

Sợi quang đơn mode chiết suất nhảy bậc SM-SI: chiết suất vùng lõi

và vỏ của sợi quang này cũng là các hằng số khác nhau là n1 và n2 nhưng bánkính vùng lõi nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode Trong sợi quang đơn modechỉ truyền lan một mode sóng duy nhất là mode cơ bản Tia sóng của modenày truyền song song với trục sợi trong vùng lõi

Hình 2.6 Mặt cắt sợi đơn mode chiết suất bậc

2.1.3 Nguyên lý truyền sáng trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên ba địnhluật cơ bản về đường đi của ánh sáng, đó là: định luật truyền thẳng, định luậtphản xạ ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ toànphần

Định luật truyền thẳng phát biểu rằng trong một môi trường trong suốt

và đồng tính, ánh sáng truyền theo đường thẳng [7]

Định luật phản xạ ánh sáng: Giả sử có một tia sáng tới đập vào một

mặt phẳng phân cách giữa môi trường trong suốt (Hình 2.7) Khi đó tia tới bịphân thành làm hai tia: tia phản xạ và tia khúc xạ Tia phản xạ đi trở lại môitrường cũ, còn tia khúc xạ đi vào môi trường hai (sẽ xét ở sau)

Định luật phản xạ ánh sáng được phát biểu như sau [7]:

- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến

- Góc phản xạ bằng góc tới

Mặt phẳng tới là mặt phẳng xác định bởi tia tới và pháp tuyến của mặtphân giới hai môi trường tại điểm tới I Theo định luật phản xạ ta có i = i’

Định luật khúc xạ ánh sáng: Hiện

tượng khi ánh sáng truyền qua một mặt

phân cách giữa hai môi trường trong suốt,

tia sáng bị gãy khúc (đổi hướng đột ngột) ở

mặt phân cách gọi là hiện tượng khúc xạ

ánh sáng, trong đó [8]:

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng

tới và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia

ánh sáng

S

NiIr

K

- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sin của

góc tới (sin i) với sin của góc khúc xạ (sin r) luôn luôn là một số không đổi

Số không đổi này phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường và được gọi là

chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi

trường chứa tia tới (môi trường 1) kí hiệu là n21

21

sinsin 

i n

r (2.8)

+ Nếu n21 > 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới Ta nói môi trường 2

chiết quang hơn môi trường 1

+ Nếu n21 < 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới Ta nói môi trường 2

chiết quang kém hơn môi trường 1

+ Nếu i = 0 thì r = 0 : tia sáng chiếu vuông góc với mặt phân cách sẽ

truyền thẳng

+ Nếu chiếu tia tới theo hướng KI (Hình 2.8) thì tia khúc xạ sẽ đi theo

hướng IS (theo nguyên lý về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng) do

Hiện tượng phản xạ toàn phần:

Chiếu một chùm tia sáng song song hẹp (coi

như một tia sáng SH) từ không khí vào nước

theo phương vuông góc với mặt nước Nước

được chứa trong một bể nhỏ có thành bằng

thủy tinh phẳng, thẳng đứng Dưới đáy bể có

một gương phẳng G đặt nghiêng Độ nghiêng

của gương G có thể thay đổi được (Hình

2.9) Tia SH đến gặp mặt gương G ở điểm I

Nó bị phản xạ trở lại gặp mặt nước ở J Tại

đó, một phần chùm tia sáng bị phản xạ (tia JR) và một phần khúc xạ ra ngoài

không khí (tia JK)

S

Ni

Hình 2.9 Hiện tượng phản xạ

toàn phần

Ta có thể quan sát được đường đi của các tia IJ, JR và JK bằng cáchcho chúng đi là là mặt của một bảng gỗ nhỏ sơn trắng Tăng dần độ nghiêngcủa gương G: góc tới I của tia tới IJ trên mặt phân cách cũng tăng dần Kếtquả, ta thấy như sau [8] :

+ Khi góc tới i còn nhỏ thì tia khúc xạ JK rất sáng còn tia phản xạ JRrất mờ

+ Khi góc tới i tăng lên thì góc khúc xạ r cũng tăng nhưng r luôn luônlớn hơn i Đồng thời, ta thấy tia phản xạ sáng dần lên còn tia khúc xạ mờ dầnđi

+ Khi góc tới i đạt tới một giá trị nào đó (mà ta gọi là góc giới hạn phản

xạ toàn phần: igh) thì góc khúc xạ r = 900 Lúc đó tia khúc xạ đi là là trên mặtphân cách và rất mờ, còn tia phản xạ rất sáng

+ Nếu tiếp tục tăng i sao cho i > igh thì sẽ không còn tia khúc xạ nữa.Toàn bộ tia tới bị phản xạ Do đó tia phản xạ sáng như tia tới Đó là hiệntượng phản xạ toàn phần

Các điều kiện để có hiện tượng phản xạ toàn phần:

- Trước hết, hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ có thể xảy ra trên mặtphân cách giữa hai môi trường trong suốt khi tia sáng truyền theo chiều từmôi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn

- Ngoài ra, góc tới của tia sáng trên mặt phân cách phải lớn hơn hoặcbằng góc giới hạn phản xạ toàn phần (igh) Khi i = igh thì hiện tượng phản xạtoàn phần bắt đầu xảy ra

2.1.3.1 Truyền sáng ở sợi MM-SI

Ở đây chúng ta sẽ không đi sâu vào phân tích các trường hợp truyền lanánh sáng của sợi mà chỉ nêu nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang Đối vớisợi đa mode chiết suất nhảy bậc thì nguyên lý truyền dựa trên định luật khúc

xạ ánh sáng (tại mặt phân cách giữa môi trường ngoài và lõi sợi quang); địnhluật phản xạ và hiện tượng phản xạ toàn phần (ở lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏsợi quang); ngoài những nơi đó ra thì đường đi của ánh sáng luôn luôn tuântheo định luật truyền thẳng.

Giả sử ánh sáng đưa vào là đơn sắc, sợi quang hoàn toàn trong suốt vàđồng tính Gọi chiết suất của môi trường ngoài là n0 ; chiết suất của lõi là n1

và chiết suất của vỏ là n2 Để đơn giản, ta chỉ xét một mode truyền của sợi

Hình 2.10 Truyền sáng trong lõi sợi MM-SI

Tại mặt phân cách giữa môi trường ngoài và lõi sợi quang xảy ra hiệntượng khúc xạ ánh sáng (Hình 2.10a), theo định luật khúc xạ ta có:

0 1

đi lặp lại trong lõi của sợi và đó là nguyên lý để truyền dẫn ánh sáng của sợiquang MM-SI

2.1.3.2 Truyền sáng ở sợi MM-GI

Ta chỉ cần xét nửa đường đi của một tia sáng đơn sắc xuất phát từ trụcsợi quang ra phía biên của lõi sợi Tâm sợi có chỉ số chiết suất n1, lớn nhất vàgiảm dần cho đến lớp vỏ có chỉ số là n2 Từ trục sợi đến mặt phân cách giữa

i (

) ) r Góc tiếp

lõi và vỏ, ta chia thành nhiều phân lớp như ở Hình 2.11, như vậy n1 > n2’

Hình 2.11 Truyền sáng trong sợi MM-GI

Nghĩa là i1 < i2 < i3 < ii Khi góc ii đủ lớn (≈ 900) thì sẽ xảy ra hiệntượng phản xạ toàn phần, sau đó quá trình khúc xạ lại tiếp diễn và góc ii’ > i2’

> i1’ Nói tóm lại, đường đi của tia sáng luôn có hướng quay về trục sợiquang

2.1.4 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Có ba yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệthống thông tin quang, bao gồm:

- Suy hao

- Tán sắc

- Hiện tượng phi tuyến

Đó là ba yếu tố quan trọng, tác động đến toàn bộ quá trình thông tin,định cỡ về khoảng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng như xác định cấuhình của hệ thống thông tin quang Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhauthì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau Ví dụ:

- Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu

cần quan tâm là suy hao

- Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ

yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc

- Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài hai yếu

tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

2.1.4.1 Suy hao trong sợi quang

Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ

theo chiều dài sợi, đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy

hao Nếu gọi L(km) là chiều dài sợi, Pin là công suất quang tại đầu sợi và Pout

là công suất quang tại cuối sợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi

tính theo đơn vị dB sẽ bằng 10lg(Pin/Pout) Nếu gọi α(dB/km) là hệ số suy

hao riêng của sợi thì ta có biểu thức [1]:

Ba dải bước sóng (cửa sổ) có suy hao thấp có thể sử dụng cho thông tin

quang là 0.8μmm, 1.3μmm và 1.55μmm tương ứng với các suy hao cơ bản là 2.5,

0.4 và 0.25dB/km Trong hệ thống thông tin quang đặc trưng, một tín hiệu có

thể bị suy hao khoảng 20-30dB trước khi cần được khuếch đại hoặc tái tạo

Với suy hao 0.25dB/km, tương ứng có thể truyền qua một đoạn dài khoảng

80-120km [2]

Các nguyên nhân chính gây ra suy hao trong sợi quang là suy hao do

hấp thụ, do tán xạ tuyến tính, do bị uốn cong và thêm một số loại suy hao

khác

Suy hao do hấp thụ: là do sự hấp thụ của vật liệu chế tạo sợi với ánh

sáng truyền qua nó, đó là bản chất vật lý của cấu tạo phân tử và nguyên tử của

vật liệu sợi, còn gọi là tự hấp thụ và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh

khiết

Hiện tượng tự hấp thụ có nghĩa là các nguyên tử của vật liệu chế tạo sợiphản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng Tức là, vật liệu cơbản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xácđịnh với suy hao rất nhỏ hoặc hầu như không suy hao Còn ở một số bướcsóng nhất định sẽ có hiện tượng cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ vàchuyển hóa thành nhiệt năng.

Hiện tượng hấp thụ do tạp chất xảy ra do vật liệu chế tạo hoàn toànkhông tinh khiết mà lẫn các ion kim loại (Fe, Cu, Cr…) và đặc biệt là các ion

OH- của nước Các hệ thống thông tin quang hiện nay chủ yếu làm việc ở cửa

sổ thứ 2 (λ2 = 1300nm) và cửa sổ thứ 3 (λ3 = 1550nm) nhưng ở hai cửa sổ nàyánh sáng lại rất nhạy cảm với tạp chất Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào nồng

độ tạp chất và bước sóng làm việc Chẳng hạn, nếu nồng độ tạp chất khoảngvài phần triệu thì α khoảng vài dB/km; muốn α < 1dB/km thì nồng độ tạpchất phải là 10-8 ÷ 10-9 và với công nghệ chế tạo sợi hiện nay điều này khôngcòn lo ngại nữa Sự có mặt của ion OH- trong sợi quang góp phần tạo ra suyhao đáng kể, đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở ba bước sóng: 950nm, 1240nm

và 1380nm Ví dụ: nếu nồng độ ion OH- bằng 10-6 thì α ≈ 40dB/km và nồng

độ cho phép của ion OH- trong chế tạo sợi là < 10-9 [2]

Suy hao do tán xạ: trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ

trong lõi sợi gây ra, đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tínhkhông đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạosợi Như vậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn vàmật độ phân tử thấp hơn mật độ trung bình Ngoài ra, do thủy tinh được tạo từvài loại oxit như SiO2, GeO2 và P2O5 cho nên sự thay đổi thành phần vẫn cóthể xảy ra Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ.Tán xạ tuyến tính thường được phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán xạMie

Tán xạ Rayleigh xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ hơn

bước sóng (khoảng 1/10) trong sợi quang làm cho tia sáng bị tỏa ra nhiều

hướng Hệ số tán xạ Rayleigh được tính như sau:

3

8 2 4

83

γR: hệ số tán xạ Rayleigh

λ: bước sóng quang được tính bằng met

n: chiết suất môi trường

p: hệ số quang đàn hồi trung bình

K: hằng số Boltzman

βC: độ nén đẳng nhiệt (đơn vị là m2/N) tại nhiệt độ TF (đơn vị là K) quy

định

Hệ số tán xạ Rayleigh liên hệ với hệ số suy hao truyền dẫn

(transmission loss factor) như sau:

L = exp(-γRL) (2.16)

Với L là độ dài sợi quang (đo bằng mét) Do đó hệ số suy hao do tán xạ

Rayleigh sẽ là:

110lg 

đương với bước sóng (lớn 1/10) lan truyền trong sợi quang và chủ yếu là

trong hướng tới (hướng lan truyền) Tán xạ này có thể giảm đến mức không

đáng kể bằng các biện pháp giảm tính không đồng nhất như: loại bỏ tạp chất

trong quá trình sản xuất thủy tinh, điều khiển chặt chẽ quá trình kéo và bọc

sợi quang, tăng độ lệch chiết suất tương đối [2]

Suy hao do uốn cong: là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) của

sợi Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong theo một đường cong

có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài

vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao Có hai loại

uốn cong sợi là [1]:

- Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp

này thường xảy ra khi sợi được bọc thành cáp

- Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn hơn hoặc

tương đương đường kính sợi

Khi ánh sáng tới chỗ sợi quang bị uốn cong, một phần ánh sáng sẽ ra

ngoài lớp bọc Đối với trường hợp uốn cong ít, giá trị suy hao là rất nhỏ và

khó có thể thấy được Khi bán kính uốn cong giảm dần, suy hao sẽ tăng theo

quy luật hàm mũ cho đến lúc bán kính đạt tới giá trị tới hạn nào đó thì suy hao

uốn cong thể hiện rất rõ Do đó, người ta quy định bán kính uốn cong cho

phép là [2]:

2 1 3/2

34



 

C

n R



(2.18)

Trong đó:

RC: bán kính uốn cong cho phép

n1: chiết suất lõi ; n2: chiết suất vỏ

λ: bước sóng ánh sáng

Từ công thức trên ta thấy có thể giảm suy hao do uốn cong bằng cách:

- Thiết kế sợi quang có độ chênh lệch chiết suất lớn

- Hoạt động ở bước sóng ngắn hơn có thể

2.1.4.2 Tán sắc trong sợi quang

Trong một sợi quang, những tần số ánh sáng khác nhau và những mode

khác nhau cần thời gian khác nhau để truyền một đoạn từ vị trí A đến vị trí B

Hiện tượng này gọi là tán sắc và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau Nói

chung, tán sắc dẫn đến sự co giãn xung trong truyền dẫn quang, gây ra giao

thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách

truyền dẫn [2]

Tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán

sắc giữa các mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode (tán sắc sắc thể);

tán sắc bên trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

Do vậy có thể thấy tổng cộng tán sắc trên sợi dẫn quang bao gồm [1]:

τin, τout là độ rộng xung vào và xung ra, đơn vị là giây [s]

Dt là độ tán sắc tổng cộng, đơn vị là giây [s]

Thường người ta chỉ quan tâm đến độ trải rộng xung trên 1km và có

đơn vị là [ns/km] hoặc [ps/km]

Ngoài ra còn có đơn vị ps/(nm.km) để đánh giá độ tán sắc chất liệu

trên mỗi km chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ quang là 1nm [2]

Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính

lõi của sợi, nó tồn tại trên các sợi đa mode vì các mode trong sợi này sẽ lan

truyền theo các đường đi khác nhau làm cho cự ly đường đi của chúng khác

nhau và do đó có thời gian lan truyền khác nhau Các sợi đơn mode không có

tán sắc mode [1]

Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80%

năng lượng ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn

năng lượng ở trong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số

lan truyền mode β là một hàm số của a/λ, nó thường được bỏ qua trong sợi đamode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode [1].

Tán sắc vật liệu do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành

phần phổ khác nhau trong sợi tạo ra Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóngphẳng lan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính vớibước sóng và một vật liệu được gọi là tồn tại tán sắc chất liệu khi đạo hàmbậc hai của chiết suất theo bước sóng khác không Độ trải rộng xung do tánsắc vật liệu có thể thu được bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợiquang [2]

2.1.4.3 Các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụthuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏqua đối với các hệ thống hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) vớitốc độ bit lên đến 2,5Gbps Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn hay ở mức côngsuất truyền lớn thì việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm hai loại Loại thứ nhất phátsinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung độngphân tử) trong môi trường silica Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc củachiết suất vào cường độ điện trường Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trongloại này là hiệu ứng tự điều pha, hiệu ứng điều chế xuyên pha và hiệu ứngtrộn bốn bước sóng Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr [2]

2.2 Cáp sợi quang

Để đưa được sợi quang vào sử dụng trong môi trường thực tế của mạnglưới viễn thông, các sợi cần phải được kết hợp thành cáp với các cấu trúc phùhợp với môi trường lắp đặt Cấu trúc của cáp sợi quang rất đa dạng và khácnhau ở nhiều điểm; tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể và dựa vào môi trườnglắp đặt cáp mà cáp sợi quang cũng có các tên như: cáp chôn trực tiếp dưới đất,cáp kéo trong cống, cáp treo ngoài trời, cáp thả biển… Đối với từng loại cáp

khác nhau sẽ có thiết kế cụ thể khác nhau, nhưng các nguyên lý cơ bản vềthiết kế đều phải có trong mọi loại cáp.

2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ;

- Không thấm nước, lọt nước;

- Ổn định khi nhiệt độ thay đổi;

Hình 2.12 Cấu trúc cổ điển của cáp sợi quang

2.2.2.1 Vỏ cáp

Vỏ cáp có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh ảnh hưởng của điều kiện bênngoài như: lực cơ học, tác dụng của các hóa chất hóa học, nhiệt độ, hơi ẩm…Khi chọn vật liệu làm vỏ cáp cần lưu ý đến đặc tính sau: đặc tính khí hậu, khả

Vỏ cáp Thành phần chịu lực ngoài

Lớp vỏ trong

của cáp Băng quấn

Sợi quang

Chất nhồi Thành phần chịu lực trung tâm