Chương 1: Hệ thống thông tin quang
CHƯƠNG 1:
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Trong sự phát triển của mạng viễn thông Việt Nam nói riêng và trên toàn
thế giới nói chung, thông tin quang đã có những đóng góp rất quan trọng về cả qui
mô phát triển cũng như nâng cao chất lượng toàn mạng. Hệ thống thông tin bằng
cáp sợi quang là hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, cho phép
tạo ra các tuyến truyền dẫn dài, với dung lượng rất lớn, cấu trúc hệ thống linh hoạt,
độ tin cậy cao... Thông tin quang sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn
phục vụ cho sự phát triển đa dạng các dịch vụ viễn thông đòi hỏi tốc độ cao, đặc
biệt phục vụ cho sự phát triển đột phá Internet tốc độ cao và các dịch vụ IP.
Trong chương này trình bày các thành phần của một tuyến truyền dẫn
quang; cấu tạo, đặc điểm, suy hao tín hiệu của sợi quang; nguyên lý, đặc tính, các
tham số của thiết bị phát quang và thiết bị thu quang.
1.1. Hệ thống thông tin quang:
1.1.1 Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang:
Các thành phần chính của tuyến thông tin quang gồm có thiết bị phát
quang, cáp sợi quang và thiết bị thu quang:
+ Thiết bị phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các
mạch điện điều khiển liên kết với nhau.
+ Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và lớp vỏ bọc xung quanh để
bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài.
+ Thiết bị thu quang được cấu tạo từ bộ tách sóng quang và các mạch
khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành.
1
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ
ghép nối quang (connector), các mối hàn, các bộ chia quang và trạm lặp; ở các
tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù
tán sắc và các trạm xen rẽ kênh. Các thành phần chủ yếu của tuyến thông tin quang
sẽ được trình bày ở các phần sau.

1.1.2. Các ưu điểm của hệ thống thông tin quang:
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp (0,2-0,25
dB/km ở bước sóng 1550nm).
Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị dò sóng điện từ như cáp kim
loại.
Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi môi trường axit, kiềm,
nước,... nên có độ bền cao.
Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao
hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh.
Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống thông tin quang còn có nhược
điểm sau:
2
Mạch điều
khiển
Nguồn phát
quang
Thu quang
Phát quang
THIẾT BỊ PHÁT QUANG
mạch điện
Khuếch đại
quang
Tách sóng
quang
Chuyển đổi
tín hiệu
TRẠM LẶP
THIẾT BỊ THU QUANG

Bộ nối
quang
Mối
hàn
Xen rẽ kênh
Tín hiệu
điện vào
Tín hiệu
điện ra
Bù tán
sắc
Các t/bị khác
Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép
nối với sợi quang khó khăn.
- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao. Các
khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên
nhân gây ra suy hao.
- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.
1.2 Sợi quang:
1.2.1 Đặc điểm của ánh sáng:
Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất đồng nhất. Hiện tượng
phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa
hai môi trường có chỉ số chiết suất khác nhau, tia sáng nào khi tới mặt phân cách
giữa hai môi trường mà quay trở lại môi trường ban đầu đó là tia phản xạ, còn tia
sáng nào đổi hướng đi qua mặt phân cách vào môi trường khác đó là tia khúc xạ.
Theo định luật Snell ta có quan hệ:
n
1

sin φ
1
= n
2
sin φ
2
(1.1)
- n
1
: chỉ số chiết suất môi trường thứ nhất;
- n
2
: chỉ số chiết suất môi trường thứ hai;
- φ
1
: góc hợp bởi tia tới với pháp tuyến mặt phân cách giữa n
1
và n
2
;
- φ
2
: góc hợp bởi tia khúc xạ với pháp tuyến mặt phân cách giữa n
1
và n
2
;
n
2
n

1
Hình 1.2: Góc tới (φ
1
) và góc phản xạ (φ
3
) bằng nhau. Giả sử n
1
>n
2
, thì φ
1
<
φ
2
và tỷ lệ với nhau, tăng φ
1
sao cho φ
2
=π/2 khi đó nếu tiếp tục tăng φ
1
thì không
còn tia khúc xạ khi đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Hiện tượng phản xạ
toàn phần chỉ xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang
3
φ
2
φ
1
φ
3


Tia khúc xạ
n
2
< n
1
Tia phản xạ
Tia tới
Hình 1.2
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn và góc tới (φ
1
) phải lớn hơn góc tới hạn
(φ
c
). Theo định luật Snell φ
c
được xác định như sau:
* Khẩu độ số NA=n.Sin
θ
0 max
(n: chiết môi trường bên ngoài,
θ
0 max
: góc vào
sợi quang lớn nhất) : Thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung ánh
sáng vào sợi quang do đó cho phép ta tính toán hiệ quả quá trình ghép nguồn sáng
vào sợi quang.
1.2.1 Cấu trúc của sợi quang:
Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang,

tức là có dạng hình trụ và chức năng dẫn sóng ánh sáng lan truyền theo hướng
song song với trục của nó. Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu
thủy tinh có chỉ số chiết suất n
1
lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống
đồng tâm với lõi và có chiết suất n
2
> n
1
. Lớp vỏ phản xạ mặc dù không là môi
trường truyền ánh sáng nhưng nó là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn
chặn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường thêm độ bền
của sợi.
Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang được mô tả dưới dạng các sóng
điện từ truyền dẫn được gọi là cac mode trong sợi. Đặc điểm của các mode truyền
trong sợi quang:
- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ
được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng.
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định.
4
)90,(
0
221
1
2
=>=
φφ
nn
n

n
Sin
c
1
21
1
2
2
2
1max0
,2.
n
nn
nnnSinnNA
−
=∆∆=−==
θ
n
1
: Chiết suất lõi sợi quang
n
2
: Chiết suất vỏ sợi quang
(1.3)
(1.2)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
1.3 Phân loại sợi quang:
1.3.1 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:
Việc phân loại sợi dẫn quang phụ thuộc vào sự thay đổi thành phần chiết
suất của lõi sợi, được chia làm ba loại sợi quang thông dụng như sau:

1.3.1.1 Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):
Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với
chiết suất lớp vỏ phản xạ. Các tia sáng từ nguồn sáng truyền vào sợi quang với góc
tới khác nhau sẽ truyền theo những đường truyền khác nhau, tức là truyền cùng
vận tốc nhưng thời gian đến cuối sợi sẽ khác nhau. Do đó khi đưa một xung ánh
sáng vào đầu sợi do hiện tượng tán sắc ánh sáng nên cuối sợi nhận được một xung
ánh sáng rộng hơn. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số
tốc độ cao và cự ly quá dài.
1.3.1.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):
Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi không đều
nhau, mà nó thay đổi một cách liên tục giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách
lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn
nhiều so với sợi SI
Hình 1.4 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index)
5
Hình 1.3 Sợi quangđa mode chỉ số chiết suất phân bậc (SI:Step Index)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
1.3.2 Phân loại theo mode truyền dẫn:
1.3.2.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode):
Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có thể
là đa mode có chiết suất phân bậc hoặc chiết suất giảm dần.
Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50µm, đường kính lớp bọc
125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,01, chiết suất lõi n=1,46.
Tần số chuẩn hóa V (hay còn gọi là tham số V) xác định như sau:
Tần số mode M đi vào được xác định (gần đúng)
1.3.2.2 Sợi đơn mode (SM: Single Mode):
Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode
sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không.
Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10µm), đường
kính lớp bọc 125µm, độ lệch chiết suất ∆=0,003, chiết suất lõi n=1,46.

Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của
bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung
trong không gian của cường độ trường mode cơ bản.
Bước sóng cắt là bước sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn
mode.
Gọi λ
c
: bước sóng cắt trên đoạn sợi chưa bọc cáp.
6
( )
nmnaNAaV 850382..
2
..
2
1
=≈∆==
λ
λ
π
λ
π
( )
( )
726
2
.2
2
2
2
2

1
2
22
≈=−=
V
nn
a
M
λ
π
Hình 1.5 Sợi quangđơn mode (SM:Single Mode)
(1.4)
(1.5)
Chương 1: Hệ thống thông tin quang
λ
cc
: bước sóng cắt trên đoạn sợi đã bọc thành cáp.
Sợi quang hoạt động ở chế độ đơn mode khi λ>λ
c
. Các giá trị λ
c
, λ
cc
thỏa
mãn:
1100nm<λ
c
<1280nm
λ
cc

<1270nm
1.4 Các đặc tính của sợi dẫn quang:
Sợi quang ứng dụng trong viễn thông có 2 đặc tính cơ bản:
- Đặc tính vật lý: mặt cắt, chỉ số khúc xạ, lực căng, kích thước.
- Đặc tính truyền dẫn: suy hao, tán sắc, bước sóng cắt.
1.4.1 Suy hao tín hiệu trong sợi quang:
Khi truyền tín hiệu từ phía phát đến phía thu thì sẽ bị suy hao và méo tín
hiệu, đây là 2 yếu tố quan trọng. Nó tác động vào quá trình thiết kế hệ thống, xác
định khoảng cách và tốc độ truyền dẫn cũng như cấu hình của hệ thống thông tin
quang.
Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao (α) và được
xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra P
out
của sợi dẫn quang dài L với
công suất quang đầu vào P
in
:
L: [km]
α: được tính bằng dB/km
1.4.1.1 Suy hao hấp thụ trong sợi quang:
7
2
2
2
1
2
nn
v
a
C

−=
π
λ








=
out
in
P
P
L
log
10
α
[ ]
dB
P
P
out
in









log.10
(1.6)
(1.7)