Phần 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt . Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người...
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HTTTQ
1.1 Sự phát triển của thông tin quang:
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nh ận bi ết c ủa con ng ười v ề
chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt . Ti ếp đó m ột h ệ th ống
thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các
đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử
dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó ch ịu ảnh h ưởng của
các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện
báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau.
Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đ ến năm
1966 đã chế tạo ra sợi quang có dộ tổn thất th ấp ( 1000dB/Km). B ốn năm sau
Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng
20dB/Km. Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên kh ắp th ế gi ới đã b ắt
đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy
hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành
công vào những năm 70. Sau dó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze
bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được
chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm.
Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một
khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm
Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực
gọi là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có kh ả
năng phát hiện và sử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh
Nghành điện tử viễn thông 13 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử
và viễn thông trong thế kỷ 21.
1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang:
Bộ phát quang
Tín hiệu Bộ nối Mối
điện vào quang hàn sợi
Mạch Nguồn
điều phát
khiển quang
Sợi dẫn
quang
Trạm lặp Bộ chia quang
Thu
quang
Mạch điện
Các thiết bị khác
Phát
quang
Bộ thu quang
Tín
hiệu
Khuếch
Đầu thu Chuyển điện ra
đại quang
quang đổi t/h
Khuếch đại
Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang.
Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang:
Nghành điện tử viễn thông 14 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành
tín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành
xung quang).
Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực ( ánh sáng bị điều biến theo qui
luật của tín hiệu điện).
Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được
chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng nh ư s ợi th ạch
anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa.
Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không b ị ảnh
hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) .
Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và
méo dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly đ ể bi ến đ ổi
thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu.
Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ
năng lượng điện ít.
Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp
biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại. Tín hiệu đã
được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên
tuyến cáp sợi quang.
1.3 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang:
1.3.1 Ưu điểm :
• Sợi cáp nhỏ hơn sợi cáp kim loại(đường kính mẫu của sợi quang là 0,1 mm,
nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm), nh ẹ h ơn, dễ u ốn cong. Chi
phí vật liệu cáp ít, cáp lại được lắp đặt thuận ti ện, ngay c ả b ằng tay. Cáp
quang hiện nay cho phép tăng được nhiều kênh truy ền dẫn mà ch ỉ tăng đ ường
kính cáp rất ít.
Nghành điện tử viễn thông 15 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
• Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng
của nước, axít, kiềm...nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp v ỏ b ảo v ệ bên
ngoài có bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt.
• Sợi thuỷ tinh là sợi điện môi nên hoàn toàn cách đi ện, không s ợ b ị ch ập m ạch,
vì thế nên đầu vào và đầu ra của hệ thống hoàn toàn cách đi ện và không có
mạch vòng chảy qua đất.
• Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hưởng điện từ nên sợi quang cũng được sử dụng
nhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu.
• Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nh ỏ trong d ải t ần
rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truy ền được tốc độ l ớn h ơn cáp kim
loại khi cùng chi phí xây dựng mạng.Trong tương lai làm cáp thuê bao cho các
dịch vụ dải rộng cũng rất phù hợp.Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly
khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều.
• Một cáp sợi quang có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có th ể ch ứa đ ược m ột
số lượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại .
• Dùng cáp sợi quang rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đ ặt và
bảo dưỡng. Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không
gây chập, cháy. Không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài (như
sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao th ế ...) d ẫn đ ến
tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm.
• Sợi quang được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nh ựa
tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền. Sợi có đường kính nh ỏ,
trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong .
• Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu.
• Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ.
• Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích h ợp v ới các linh ki ện, IC
lozic TTC và CMOS.
Nghành điện tử viễn thông 16 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
• Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng th ời gian
trễ như ở thông tin vệ tinh.
• Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay Time-
Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz.
1.3.2. Nhược điểm.
• Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại.
• Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong
sợi quang.
• Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các m ối
hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao.
• Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
• Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog.
• Không thể truyền mã lưỡng cực.
• Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi
và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối đặc là trong việc hàn nối s ợi quang là r ất
phức tạp.
1.3.3 Ứng dụng.
Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới
điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truy ền hình ( d ịch v ụ băng r ộng) và s ẽ
được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuy ển m ạch kênh
với kỹ thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng
như trong các thiết bị đo.
Do có các tiến bộ trên mà các hệ thống thông tin quang đ ược áp d ụng r ộng
rãi trên mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuy ến đường trục, trung
kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh
Nghành điện tử viễn thông 17 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
hoạt và đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các c ấu hình thi ết b ị
cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương vv.... Các hệ thống thông tin quang cũng rất
phù hợp cho các hệ
thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào nào,
các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản.
Bảng a. Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, châu Âu và Nhật Bản
Phân Khối Bắc Mỹ Khối châu Âu Nhật bản
Tốc độ Số kênh Tốc độ Số kênh Tốc độ Số kênh
cấp
bít Mbit/s thoại bít Mbit/s thoại bít Mbit/s thoại
1 1,544 24 2,048 30 1,544 24
2 6,312 96 8,448 120 6,312 96
3 44,736 672 34,368 480 32,064 480
4 274,176 4032 139,264 1920 97,728 1440
5 - - 565,148 7680 396,200 5760
Ngoài các tốc độ trên, có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần
đây gọi là SDH (Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ) với nhiều
ưu điểm hơn so với phân cấp số PDH ở trên về m ặt dung l ượng truy ền d ẫn và
khả năng quản lý khai thác mạng. Các tốc độ cơ bản trong phân c ấp SDH đ ược
mô tả qua các module truyền tải đồng bộ (STM-Synchronous Transport Module).
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên th ế
giới, chúng đáp ứng cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền dẫn
tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng. Số lượng cáp quang hi ện nay
được lắp đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn
với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhi ều n ước l ấy cáp quang
là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thông của họ. Các hệ
thông thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, c ự ly truy ền d ẫn và c ấu hình
linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
Nghành điện tử viễn thông 18 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Bảng b: Các mức phân cấp SDH
Mức STM-1 STM-4 STM-16 STM-64
Tốc độ truyền [Mbit/s] 155,52 622,08 2,488 9,953
CHƯƠNG II:
CÁP SỢI QUANG VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
2.1 Bản chất của ánh sáng:
Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truy ền đi dưới d ạng ánh
sáng, một cách chung nhất, có thể coi ánh sáng là một chùm các phần tử hạt rất
nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung nh ư
đang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt
nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. Quan điểm này mô tả được
đầy đủ các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ nh ư các
hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết
này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, tuy nhiên hiện tượng
nhiễu xạ và giao thoa chỉ hãn hữu. Năm 1986, Maxwell đã ch ứng minh bằng lý
thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ. Hơn nữa khi quan sát các
hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển động của sóng ánh sáng luôn
vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang.
Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang thì sóng điện từ được phát ra t ừ một
nguồn nhỏ có thể được đặc trưng bởi một loại các mặt sóng hình c ầu mà ngu ồn
đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi các quĩ tích t ất c ả
các điểm ở trong loại sóng cùng pha.
Nghành điện tử viễn thông 19 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
2.1.1 Các định luật cơ bản của ánh sáng:
Các định luật cơ bản của ánh sáng có liên qua đến sự truyền ánh sáng trên
sợi quang là hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng vận tốc của ánh sáng là:
c = v.λ (v: Tần số ánh sáng ; λ: Bước sóng)
Trong không gian tự do thì c = 3.10 8 m/s, còn các môi trường trong suốt khác
thì vân tốc ánh sáng là v < c. Khi đó chỉ số chiết suất n của vật liệu đó là: n = c/v.
Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường h ợp
có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Như ta đã bi ết, các tia sóng
được truyền từ môi trường có chiết suất lớn vào môi trường có chiết suất nh ỏ
hơn thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại danh giới phân cách gi ữa hai môi
trường. Các tia sáng khi đi qua vùng ranh giới này bị thay đ ổi h ướng n ếu ti ếp t ục
đi vào môi trường có chiết suất mới thì gọi đó là tia khúc x ạ, còn tia nào qua ranh
giới này quay trở lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ
Hình dưới đây minh hoạ quá trình phản xạ và khúc xạ ánh sáng ứng với
một môi trường thứ nhất có chiết suất n1 lớn hơn chiết suất n2 của môi trường
thứ hai.
Pháp Pháp
tuyến tuyến
Tia khúc
Tia khúc xạ
φ2 φ2
xạ
θ2 n2
n2 n2Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
2.1.2 Đặc tính tán xạ trong sợi quang:
Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hi ện hi ện t ượng dãn
rộng các xung ánh sáng ở đầu thu. Thậm chí trong vài trường h ợp các xung lân
cận còn đè lên nhau, dẫn đến không phân biệt được xung, gây méo tín hi ệu khi tái
tạo. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ.
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà
các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời. Tán
xạ có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn cụ thể là:
• Khi truyền tín hiệu số trong miền thời gian nó gây ra s ự dãn rộng các xung ánh
sáng.
• Khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hi ệu bị gi ảm và gây ra hi ện
tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang bị giới hạn, ảnh
hưởng của tán xạ được mô tả như sau:
P P
t 0 t
Ts Tc
Hình b : Sụt biên độ
Hình a : Dãn xung
Hình 2.2: Ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và tín hiệu analog (b)
S : chỉ tín hiệu phát
E : chỉ tín hiệu thu.
Nghành điện tử viễn thông 21 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
a> Tán sắc mode:
• Tán sắc mode tồn tại trong tất cả các sợi quang đa mode , không có trong đ ơn
mode.
• Tán sắc mdoe còn gọi là tán sắc giữa các mode.
• Tán sắc mode là do các mode truyền trong sợi với t ỷ l ệ khác nhau và đ ến cu ối
đầu thu tại các thời điểm khác nhau, nghĩa là truy ền tốc độ như nhau nh ưng
đến đầu thu không đồng thời.
• Trong các sợi đa mode có sự khác nhau về tốc độ nhóm giữa các dạng sóng.
Tuy các dạng sóng xuất phát từ đầu sợi tại cùng một th ời điểm nh ưng đ ến
cuối sợi thì không đồng thời. Giữa các dạng sóng (các tia sóng ) nhanh nh ất và
chậm nhất gây ra độ lệch thời gian đặc trưng cho tán sắc mode.
b> Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode:
Tán sắc sắc thể có trong sợi đa mode và sợi đơn mode:
• Tán sắc sắc thể gây ra do sự phụ thuộc của tốc độ nhóm vào bước sóng của
tín hiệu và làm cho thời gian tới của các thành ph ần có b ước sóng khác nhau
không như nhau.
• Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng:
+ Tán sắc vật liệu: Là do các bước sóng khác nhau từ nguồn quang và truyền với
tốc độ khác nhau do sự thay đổi các chỉ số khúc xạ theo bước sóng.
+ Tán sắc ống dẫn sóng: Là do sự phụ thuộc không tuy ến tính của h ằng s ố
chuyền lan vào tần số bước sóng trong ống dẫn quang.
2.2 Cấu tạo cáp sợi quang:
2.2.1 Lõi cáp sợi quang:
Bao gồm sợi quang đặt trong ống đệm chặt hoặc ống đệm lỏng được liên
kết với nhau bằng cách xoắn quanh một phần tử trung tâm g ọi là ph ần t ử gia
cường.
Nghành điện tử viễn thông 22 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Bước xoắn phải đủ dài để cho sợi quang không bị cong quá mức qui định
và đủ ngắn để đủ độ giãn dài khi bị kéo căng cáp.
Phần tử trung tâm làm bằng các plastic có rãnh vừa là ch ức năng gia c ường
vừa để đặt sợi theo hình xoắn ốc. Các ống đệm cũng bằng plastic.
2.2.2 Vỏ cáp quang
Để bảo vệ lõi cáp khỏi bị ảnh hưởng từ bên ngoài. Các vỏ plastic (m ột
hoặc nhiều vỏ) để bao bọc lõi cáp.
a> Vỏ ngoài cùng làm từ PVC, Polyethyleen và Polymethame-loại này có đặc
tính cơ học tốt, chống cháy có độ ẩm cho phép cao. PE có tính cơ và hoá
tốt, chống cháy kém, hệ số ma sát thấp thuận lợi cho khi kéo cáp vào cống.
b> Vỏ trong cùng thường dùng Polymêthame vì nó mềm dẻo.
c> Lớp chắn hơi ẩm thường là nhôm mỏng quấn kín lõi cáp và ở phía trong vỏ
lớp ngoài cùng: Khi vỏ ngoài bị phồng lên thì lớp các lá nhôm này vẫn ôm
chặt lớp phía trong như vậy ngăn được nước đang nằm trong lớp vỏ ngoài
thấm vào trong.
d> Vỏ bảo vệ bằng kim loại ( Armuor) bằng các sợi thép hoặc bằng thép có
múi được dùng cho cáp chôn trực tiếp để bảo vệ các ứng suất xuyên tâm
và chống gậm nhấm.
2.2.3 Phần tử gia cường.
• Phần tử gia cường được đặt trong lõi cáp quang để tạo ra sức ch ịu lực căng và
sức chống co để đảm bảo cho cáp được ổn định khi l ắp đặt cáp, khi nhi ệt đ ộ
của môi trường thay đổi.
• Phần tử gia cường phải là vật liệu nhẹ, mềm dẻo có modul đàn hồi cao...
• Phần tử gia cường có thể là:
Nghành điện tử viễn thông 23 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
+ Kim loại: thường là các loại dây thép được đặt tại tâm hoặc v ỏ c ủa cáp khi
dùng thép phải chú ý chống ăn mòn và chống điện áp cao do sét đánh.
+ Phi kim loại: Thường là dây thuỷ tinh Plastic tăng cường(G-FRP) hoặc là
các sợi amid. Thường đặt ở tâm cáp có độ mềm dẻo cao(hoặc đặt phân tán trong
vỏ cáp)
a> Các cách đặt phần tử gia cường trong lõi cáp quang:
1 1
3
3 2 2
2 1
3
2
Hình 2.3: Cách đặt phần tử gia cường.
1.Phần tử gia cường.
2. Lõi cáp.
3. ống đệm.
b> Các đặc tính của phần tử gia cường:
Vật liệu Trọng Modul Ứng suất Độ co Ứng suất Độ giãn
Lượng đàn hồi điểm uốn dãn tại điểm tại điểm
riêng kg/mm2 điểm gẫy gãy %
kg/mm2 uốn %
kg/mm2
Dây thép 7,86 20.103 40-150 0,2-1,0 50-300 20-25
Nghành điện tử viễn thông 24 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Sợi Cacbon 1,5 10- 150-200 1,0-1,5 150-250 1,5
20.103
Dây thuỷ 2,48 9.103 300 3 300 2,4
tinh Plastic
Sợi tơ 1,44 13.103 300 2 300 2
(kevlar) 49
Sợi tơ 1,44 6.103 70 1,2 300 4
(Kevlar) 29
Bảng 2.2: Các đặc tính của phần tử gia cường.
2.2.4 Các thành phần khác trong lõi cáp.
a> Các dây dẫn có cách điện: Các dây này là một thành phần của lõi cáp dùng
để truyền các kênh nghiệp vụ hoặc để phát hiện thấm nước vào cáp hoặc
cấp nguồn từ xa nhưng sự có mặt của các dây này gây ra nhược điểm cho
cáp là hiện tựơng cảm ứng điện từ của dây cao áp hoặc sét.
b> Các lớp đệm lót được sử dụng để bảo vệ lõi cáp từ lực nén xuyên tâm: đó là
các vật liệu Plastic quấn hình trôn ốc quanh lõi cáp.
c> Các băng quấn quanh lõi cáp : Các băng này có hai chức năng:
- Liên kết các thành phần của lõi cáp với nhau.
- Tạo ra lớp ngăn nhiệt khi bị nóng và phồng ra.
d> Một số bộ phận để bơm không khí khô để chống ẩm vào và chống nước.
Nghành điện tử viễn thông 25 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
e> Chất độn làm đầy để bảo vệ lõi cáp không bị hơi ẩm thấm vào trong và
chống nước ngấm dọc cáp khi vỏ cáp bị thủng. Nó có tác dụng ổn định hoá
học không tạo khí Hyđrôgen.Chất độn chủ yếu nằm trong vỏ cáp có khi cả
lõi cáp.
2.3 Phân loại sợi quang.
Như trong bảng 2.3, sợi quang được phân loai theo nhiều cách nh ư phân
loại theo vật liệu điện môi sử dụng, mode truyền dẫn, phân bố chiết su ất khúc
xạ của lõi v.v....
Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh
Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa
Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết suất khúc Sợi quang chiết suất bậc
xạ
Sợi quang chiết suất biến đổi đều
Bảng 2.3: Phân loại sợi quang.
2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi:
Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì tổng số có ba loại :
Nghành điện tử viễn thông 26 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
• Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO2)
mà còn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P v.v...để làm thay đ ổi chi ết
suất khúc xạ.
• Sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh hoặc thu ỷ
tinh boro- silicat...
• Sợi quang nhựa thường được sản xuất bằng PMMA (Polymethyl
metharcylate).
2.3.2 Phân loại theo mode lan truyền :
Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:
• Sợi quang đơn mode (được gọi tắt là SM): loại này chỉ cho một mode lan
truyền.
• Sợi quang đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền.
2.2.3 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ:
Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:
a> Sợi quang đa-model chiết suất phân bậc:
Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đó s ẽ lan truy ền
trong lõi theo phương thức phản xạ hoàn toàn. Khi cáp quang bị u ốn cong đ ột
ngột thì góc giữa đường quang và mặt phẳng biên có th ể lớn hơn góc t ới h ạn do
vậy tổn hao sang mặt áo sẽ tăng lên. Trong kiểu sợi quang đa ph ương thức ánh
sáng đi thẳng và ánh sáng phản xạ hoàn toàn với góc l ớn sẽ có các góc khác nhau.
Nghành điện tử viễn thông 27 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Tỷ lệ với sự chênh lệch này có sự chênh lệch về thời điểm đến của đầu cuối làm
cho việc truyền thông tin đến các địa điểm xa vài trụcMHz-Km.
b> Sợi quang đa – model chiết suất biến đổi:
Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai l ệch v ề th ời
gian như đã đề cập ở trên. Loại sợi quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi
của nó và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía áo sợi quang Điều này có nghĩa là s ự
phân bố hệ số khúc xạ có hình chuông. Nếu đúng như vậy thì tốc độ của ánh sáng
mà nó bị uốn cong theo chiều dài sẽ tăng lên khi h ệ s ố khúc x ạ gi ảm đi và do v ậy
ánh sáng sẽ dến đầu cuối ra gần đúng như thể ánh sáng đã lan truy ền theo m ột
đường thẳng. Vì vậy nó có thể giữ nhiều thông tin ( GHz-Km) g ấp hàng trăm
nghàn lần so với sợi quang chi số bước. Đường kính của lõi s ợi quang ch ỉ s ố l ớp
này là 50µm và đường kính của áo sợi quang là 125 µm.
c> Sợi quang đơn model (Nằm trong nhóm sợi quang chiết xuất phân bậc):
Đường kính và lõi của sợi quang đơn model nhỏ hơn nhiều so với sợi quang
đa model. Khi đường kính và lõi của sợi quang giảm xuống và độ sai l ệch v ề h ệ
số khúc xạ giữa lõi và áo sơị quang giảm đi. Trong trường hợp này không có sự
khác biệt nào về thời gian do sự khác biệt giữa các góc lan truyền gây ra vì vậy nó
có dải thông truyền dẫn lớn (100GHz-Km hoặc hơn nữa).
2.4 Các nguyên tắc lan truyền ánh sáng của sơi quang.
2.4.1 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa model chiết xuât bậc:
Đa mode chiết xuất bậc đa dạng sóng có chiết suất nh ảy bậc. Sợi quang đa
model chiết suất bậc có đường kính chỉ bằng đường kính của 1sợi tóc, bọc bên
ngoài là vỏ cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất bé hơn. Độ rộng băng tần đạt đến
Nghành điện tử viễn thông 28 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
100MHz/Km. Khi một tia sáng đi vào sợi quang với m ột góc t ương đ ối h ẹp, nó b ị
phản xạ liên tục ở đường biên cho đến khi nó chạy ra ở đầu cuối.
Có nhiều tia sáng trong lõi, n1=const nên tốc độ của ánh sáng trong lõi là:
c/n1=const.
Vậy mọi tia sáng được truyền trong lõi sợi có vận tốc giống nhau. Tia nào
có quãng đường đi ngắn thì thời gian truyền nhỏ sẽ đến sớm hơn và ngược lại.
Các tia sáng đến cuối sợi cáp không đồng thời. Xung ánh sáng ở cuối sợi cáp là
xung quang tổng hợp thành phần đến xung cuối sợi cáp bị dãn rộng và sụt đỉnh,
xuất hiện giao thoa giữa các xung quang ( méo tín hiệu) . Vì nh ững lý do trên mà
sợi quang SI-MM chỉ sử dụng cho các đường truyền tốc độ thấp cỡ chục Mb/s
trong các tuyến có cự ly ngắn, không dùng trong các tuyến đường trục.
Hình 2.4: Ánh sáng truyền qua sơi quang đa mode chiết suất bậc.
2.4.2 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết xuất liên tục ( GI-MM):
Hình 2.5: ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục.
Nghành điện tử viễn thông 29 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Sợi quang đa mode- Chiết suất giảm dần có đường kính lõi g ần 50 µm. Độ
rộng băng tần đạt khoảng 1GHz.Km. Cấu tạo của lõi sợi quang coi như tạo bởi
nhiều thấu kính hội tụ xếp đặt theo thứ tự nhất định.
Có nhiều tia sáng được truyền trong lõi, n 1 giảm theo bán kính nên vận tốc
của tia sáng trong lõi là :
c/n ≠ const
Vậy tia sáng nào gần tâm lõi thì vận tốc nh ỏ xa lõi thì v ận t ốc l ớn. Do
chiết suất lõi giảm liên tục theo chiều tầng của bán kính nên tia sáng không
truyền thẳng mà sẽ bị uốn cong đều có xu hướng quay trở lại lõi. Quỹ đạo của
tia sáng gần giống như hình sin, có tia sáng ch ưa kịp t ới b ề mặt ti ếp giáp gi ữa
n1và n2 thì đã bị uốn cong quay trở lại lõi. Tia sáng nào có quãng đường đi dài thì
có vận tốc lớn, tia sáng có quãng đường đi ngắn thì có vận tốc nh ỏ. Các tia sáng
đến cuối sợi cáp tương đối đồng thời nên xung quang ít sụt đỉnh ít bị giãn rộng.
Vì vậy sợi GI- MM có khả năng truyền tốc độ cao h ơn SI-MM. Th ường đ ược s ử
dụng ở các đường truyền có tốc độ hàng trăm Mb/s.
2.4.3 Sợi quang đơn mode chiết suất bậc:
Hình 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục.
Nghành điện tử viễn thông 30 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
Đường kính của sợi quang được làm thật bé chỉ có ánh sáng song song với
trục được truyền đi như thế sự đa dạng và méo xung được khắc ph ục, đ ường
kính của sợi bằng 5µm. Theo lý thuyết lượng thông tin truyền qua sợi quang đạt
tới 100Gb/s. Độ rộng băng tần được coi là vô hạn. Nhưng điều này còn bị gi ới
hạn bởi nguồn sáng chỉ còn 10GHz/Km.
Ánh sáng truyền trong sợi thì đạt được diều kiện chỉ còn mode cơ bản
được truyền trong lõi sợi. Có hai cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode.
2.5 Đặc tính suy hao của sợi quang ( Ký hiệu suy hao = AT ).
- Suy hao của sợi quang là một trong các thông số quan trọng đ ể xác định
khoảng cách thông tin trên mỗi khoảng lặp cực đại. Tính bằng dB/Km.
- Suy hao phụ thuộc vào bước sóng truyền qua sợi quang và phụ thuộc vào lõi
sợi quang. Nhưng suy hao phải đủ nhỏ có thể truyền công suất quang từ đầu
phát đến đầu thu đạt chỉ tiêu theo thiết kế.
2.5.1 Các yếu tố suy hao bên trong:
Khi ánh sáng truyền trong sợi quang ánh sáng bị hấp th ụ do bị cộng h ưởng
cực tím(UV)kết hợp với cấu trúc các nguyên tử tinh thể, đuôi cộng hưởng hồng
ngoại kết hợp với các liên kết phân tử.
a> Suy hao do tác động của ánh sáng vào các điện tử của nguyên t ử (AT) mà
đỉnh hấp thụ của nó nằm trong vùng cực tím(UV), còn đuôi của nó lan sang
vùng gần hồng ngoại (IR)- là vùng bước sóng hoạt động của các sợi quang.
Đối với loai sợi quang SiO2 suy hao này được tính gần đúng theo công thức:
ATu = A0exp(λ0/λ)
Trong đó: A0 = 1,108.10-3 dB/Km
λ0 = 4,582 µm
Nghành điện tử viễn thông 31 Đồ án thực tập
Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương
b> Do tác động của ánh sáng với dao động của các phần tử (ATi) mà đỉnh h ấp
thụ nằm trong vùng hồng ngoại. Còn đuôi kéo dài nằm trong vùng gần hồng
ngoại (IR).
Ati = B0exp (-λi/λ).
Trong đó : B0 = 4. 1011 dB/km.
λi = 4,8 µm.
c> Do tán xạ Rayleigh do sự thay đổi bất thường thành phần của góc nhi ệt đ ộng
học trong vật liệu thuỷ tinh.
Hai yếu tố đầu có thể ánh sáng một phần biến thành nhiệt, một phần bức
xạ quang thoát ra ngoài song vẫn gây ra suy hao ống dẫn sóng (ATr) đây là
yếu tố suy hao chủ yếu do sợi thuỷ tinh và được xác định bởi công thức sau:
ATR = C0/λ4. Trong đó: C0 ≈ 0,7 dB/ km µm4.
2.5.2 Suy hao do công nghệ chế tạo sợi quang:
a> Lượng hấp thụ ánh sáng do chất bẩn của thuỷ tinh đặc bi ệt có h ại h ơn là l ẫn
các ion kim loại vào sợi quang. Nhưng với kỹ thuật chế tạo sợi quang bây giờ
yếu tố này có thể bị loại bỏ.
b> Một loại chất bẩn nữa mà kỹ thuật hiện nay không th ể loại bỏ được là g ốc
nước OH gây ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng 1,38 µm có trị số suy hao 40
dB/Km khi trọng lượng chiếm một phần triệu. Công nghệ sản xuất sợi quang
hiện nay cho phép suy hao gốc nước OH gây nên ch ỉ chiếm khoảng 0.3
dB/Km đến 2dB/Km. Ngoài ra còn các đỉnh hấp thụ OH gây ra ở các b ước
Nghành điện tử viễn thông 32 Đồ án thực tập
