các phần tử quang điện trong thông tin quang 2.doc

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông các phần tử quang điện trong thông tin quang

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG

2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động

Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang màkhông có sụ chuyển đổi sang miền điện Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tửthụ động là vật lý quang hình

2.1.1 Bản chất của ánh sáng

Ánh sáng là một khái niệm vật lý có đặc điểm lưỡng tính : tính chất hạt và tínhchất sóng Nếu coi ánh sáng là một chùm các hạt rất nhỏ bé được phát ra từ mộtnguồn sáng thì quan điểm này chỉ mô tả được các hiệu ứng về quang học trong mộtphạm vi riêng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng, còn các hiện tượng nhiễu xạ haygiao thoa lại không giải thích được Do đó ánh sáng còn mang tính chất sóng điệntừ

2.1.1.1 Tính chất hạt

Những thí nghiệm và hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử bị bật ra khỏinguyên tử dưới tác dụng của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt, vì chỉ cóhạt mới có thể gây nên các “va chạm” dẫn đến hiện tượng iôn hóa làm bật các điện

tử Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy rằng khi tương tác với trường điện từ thìchỉ các hạt mới có bức xạ gián đoạn Trên cơ sở kết quả này, Plank kết luận rằngbức xạ điện từ gồm các hạt bé nhất gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon.Vậy photon đến nay được coi là hạt bé nhất của ánh sáng mang một năng lượng xác

định Mối quan hệ giữa năng lượng E của photon và tần số f của ánh sáng là : E= hf (2-1)

Trong đó h = 6,625 x 10-34 J.s là hằng số Plank

Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng có sự tồn tại của các photon vànăng lượng của chúng chỉ phụ thuộc vào một tần số xác định Khi ánh sáng vachạm với nguyên tử, thì photon có thể chuyển năng lượng của nó cho một điện tử ởtrong nguyên tử này và kích thích điện tử lên một mức năng lượng cao hơn Nănglượng mà điện tử hấp thụ bằng đúng năng lượng mà nó đòi hỏi để kích thích điện tửtới mức năng lượng cao hơn Ngược lại, điện tử ở trong trạng thái kích thích có thểquay trở về trạng thái thấp hơn và phát ra photon

2.1.1.2 Tính chất sóng

Các kết qủa thực nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng đã chứng tỏrằng ánh sáng có tính chất sóng Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyếtrằng bản chất của ánh sáng là sóng điện từ Sau đó, Einstein đã đưa ra giả thiết rằngphoton ngoài năng lượng E còn có cả xung lượng p được biểu thị như sau :





h k k h

mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này Mặt sóng được xác định bởi qũy tích tất

cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha Tuy nhiên xét tới sự tác động lẫn nhau củaánh sáng vào vật chất cũng như các hiện tượng tán sắc, sự hấp thụ và sự bức xạ ánhsáng thì cả lý thuyết hạt và lý thuyết sóng của ánh sáng đều có trọng lượng và cótính thuyết phục

Như vậy một quan điểm thống nhất cần được chấp nhận là ánh sáng có cả tínhchất sóng và tính chất hạt (photon) Photon có khối lượng nghỉ bằng 0, có nănglượng điện từ và xung lượng, nó cũng mang động năng góc thuần (hoặc spin), đạilượng này khống chế tính chất phân cực của nó Về mặt toán học, hai biểu thức 2-1

và 2-2 phản ánh lưỡng tính chất hạt – sóng của ánh sáng, vì các đại lượng nănglượng E và xung lượng p phản ánh tính chất hạt còn các đại lượng λ và k bên vế tráihai biểu thức biểu thị tính chất sóng của ánh sáng Sự thống nhất hai mặt của tínhchất lưỡng tính có thể mô tả bằng toán học (tuy nhiên về mặt vật lý cũng chưa đượcgiải thích một cách tường minh)

Trong không gian tự do thì tốc độ ánh sáng là : c  3.108 m/s Khi xét ánh sáng

ở khía cạnh hạt thì có thể coi các hạt photon truyền thẳng với tốc độ không đổi, cònkhi xét ở khía cạnh sóng của ánh sáng thì các sóng này truyền đi ở dạng sóng phẳng

theo một phương thẳng nào đó, ở đó các vectơ điện trường E và từ trường H luônvuông góc với phương truyền sóng Khi ánh sáng truyền trong môi trường vật chấttrong suốt khác thì vận tốc ánh sáng sẽ là v có thể nhỏ hơn tốc độ c tùy thuộc vàochỉ số chiết suất n của vật liệu Giá trị tốc độ ánh sáng lúc này sẽ giảm đi theo biểu

thức v = c/n Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là 1,33; của thuỷ

tinh là 1,50 và ở kim cương là 2,42 Tốc độ ánh sáng trong các vật liệu này sẽ giảm

đi n lần so với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không

2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có haimôi trường khác nhau về chỉ số chiết suất Khi ánh sáng đi từ một môi trường trongsuốt này đến một môi trường trong suốt khác thì ánh sáng sẽ thay đổi hướng truyềncủa chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường Như vậy có hai khả năngxảy ra :

 Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại

 Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2

Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướngnhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ.Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường ban đầuthì ta nói tia đó bị phản xạ Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sángqua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n1 lớn hơn chiếtsuất môi trường thứ hai n2

Trong đó : i là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môitrường với tia tới

r là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách haimôi trường với tia khúc xạ

Tia khúc xạ

Tia tới

Tia phản xạ

Hình 2.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng của với góc tới khác nhau

Ở hình 2.1, chiết suất n1 > n2 cho nên góc tới i nhỏ hơn góc khúc xạ r (hình2.1a) Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới c tạo ra tia khúc xạ nằm song songvới ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy c được gọi là góc tới hạn (như hình2.1b)

2.1.2.2 Định luật Snell

Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là mộthằng số Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ(r) phụ thuộc vào sin góc tới (θi) như sau :

1

2 sin

sin

n

n r

Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng bị phản xạhoàn toàn lại môi trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường Lúc này tagọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection) Hình 2.1c minhhọa quá trình phản xạ toàn phần - TIR

Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là :

 Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môitrường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn

 Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θ c =arcsin (n 2 /n 1 ).

Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng choviệc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang.Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựa vào hiệntượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau:

Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống thủytinh) Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên vàmôi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n1), nhưng khác với môitrường trung gian (là thủy tinh - n2 >n1)

- Khi ánh sáng tới môi trường đầu tiên với một góc tới thích hợp (giả sử 1 <c)(như hình 2.2), ánh sáng sẽ khúc xạ từ môi trường đầu tiên vào môi trường thứ

2 với góc khúc xạ 1 <1. (vì n1<n2) Tia khúc xạ này truyền trong môi trườngthứ 2 và tới biên giới giữa môi trường thứ 2 và môi trường cuối với một góc tới

có giá trị là 2 = 1 (vì biên giới phân cách giữa các môi trường là song song)

Lúc đó tia sáng sẽ bị khúc xạ với góc khúc xạ 2 = 1 Và tương tự có 2 > 1

(vì n2> n1)

- Khi nguồn sáng đặt trong môi trường thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏinguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí Nếu góc tới của tianhỏ hơn góc tới hạn θc thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh.Ngược lại góc tới lơn hơn góc tới hạn thì sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môitrường thủy tinh (như hình 2.3) Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song songvới nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một gócbằng góc tới Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khiđạt tới điểm cuối của ống Ta có sụ truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh

2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg

Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ mangtính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi làphản xạ Bragg Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau : hình sin hoặckhông sin (như hình vuông góc, hình tam giác …)

Trong hình ta thấy : A + B = mλλ u

Với m là số nguyên chẵn

A là chu kỳ rãnh cách tử

λu =λ/nlà bước sóng trong chất môi giới

λ là bước sóng quang trong không khí

n là hệ số khúc xạ tương đương

Áp dụng thêm các công thức phản xạ và khúc xạ ta có : A(1+sin) = mλu

Công thức này gọi là điều kiện phản xạ Bragg Ý nghĩa vật lý của công thức là :Đối với A và θ nhất định, khi có một λu tương ứng thì sóng quang có bước sóng λu

sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ Dựa vào nguyên lý phản xạ này mà ta cóthể tạo ra nhiều phần tử quang điện hoạt động hiệu quả

2.1.3 Hệ phương trình Maxwell

2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi

Trong môi trường truyền dẫn không dẫn điện, đẳng hướng, và tuyến tính thì hệphương trình Maxwell có dạng như sau :

Trong đó : ,  là vectơ trường điện và trường từ

D,B là vectơ mật độ thông lượng

Quan hệ giữa các vectơ trường và vectơ mật độ thông lượng là :

Aa

Aa

BB

Trong đó : ε là hằng số điện môi trong chân không

μ là hằng số từ thẩm trong chân không

 vectơ phân cực cảm ứng điện

Trong đó c 1  là tốc độ ánh sáng trong chân không

Khai triển Fourier điện trường trong miền tần số

Với  ~ là vectơ điện trường trong miền tần số

Hằng số điện môi phụ thuộc vào ω, môi trường và độ cảm như sau :

2 / 1

)

~ Re 1

là rất quan trọng vì sự hoạt động của các linh kiện này phụ thuộc đặc biệt vào sựđiều khiển và trạng thái phân cực của ánh sáng Sau đây ta có xét một số điều kiện

và đặc điểm của ánh sáng khi phân cực ở những trạng thái khác nhau

Sự phân cực được định nghĩa thông qua điện trường Trong mô tả bởi hàmphức, vectơ điện trường này có thể được viết dưới dạng sau :

E(z,t)= Re[Aexxp(iωt-ikz)]t-ikz)] (2-14)Trong đó A là vectơ phức trong mặt phẳng xy

Chúng ta khảo sát hai thành phần Ex và Ey như sau :

Sau khi biến đổi bằng cách sử dụng tính chất các hàm lượng giác các phươngtrình 2-14 và 2-15 ta có :

y x

A A A

E A

y x

A A

A A

 cos δ Và từ các giá trị khác nhau của δ ta có các phân cực khác

nhau của sóng ánh sáng như hình 2.6 Như trong hình 2.6 các dạng phân cực :tuyến tính, tròn và elip đối với một số sóng truyền khác nhau

Hình 2.6 Các trạng thái phân cực đối với một số sóng truyền khác nhau

2.2 Sợi quang

2.2.1 Cấu trúc sợi quang

Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp

vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặcchất dẻo Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp

cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi

Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thườnglàm từ vật liệu polyme (như hình 2.7) Lớp chất dẻo này nhằm ngăn chặn các tácđộng cơ học và để bọc sợi thành cáp

2.2.2 Phân loại sợi quang

Sợi quang có rất nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào việc sử dụng và cách phânloại mà ta có các loại sợi quang khác nhau Theo sự phân bố chiết suất trong lõi sợingười ta chia sợi quang thành sợi chiết suất nhảy bậc (Step Index) và sợi chiết suấtbiển đổi (Graded Index) Sợi chiết suất bậc có phân bố chiết suất trong lõi khôngđổi trong khi sợi chiết suất biển đổi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong rangoài

Người ta còn phân sợi quang thành hai loại : sợi đơn mode (Single mode) sợi

đa mode (Multi mode) Sợi đa mode là sợi cho phép truyền dẫn nhiều mode trong

nó, còn sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó (Với mỗimột mode là một mẫu các đường sóng trường điện và trường từ được lặp đi lặp lạidọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng)

Ngoài ra sợi còn được phân theo vật liệu như sợi thủy tinh và sợi plastic Haycác loại sợi tiên tiến hiện nay mới sản xuất như sợi duy trì phân cực và sợi dịch tánsắc

Tuy vậy trong thực tế người ta thường xột cỏc loại sợi quang sau : Sợi đa modechiết suất nhảy bậc (MM-SI), sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) và sợi đơnmode (SM).

2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM)

Sợi đơn mode là sợi chỉ cho phộp truyền dẫn một mode trong nú nhưng khảnăng về băng thụng của sợi khỏ lớn (khoảng 40GHz) Sợi quang đơn mode phự hợpđối với hệ thống đường trục với giỏ thành thấp Mặc dự giai đoạn đầu, sợi SM mớichỉ sử dụng trong vựng cửa số 1300nm, nhưng chỳng cũng cú thể hoạt động hiệuquả trong vựng cửa sổ 1550nm đối với cỏc hệ thống ghộp kờnh theo thời gian TDM

và ghộp kờnh theo bước súng WDM

Cấu trỳc sợi SM như hỡnh 2.8

Lõi Vỏ Lớp lót Lớp bảo vệ

Chỉ số khúc xạ

Hình 2.8 Cấu trúc sợi đơn mode

Sợi đơn mode cú lừi rất nhỏ thường khoảng từ 8  10 μm Kớch thước nàythường nhỏ hơn so với bước súng ỏnh sỏng được sử dụng rất nhiều Thường thỡ20% ỏnh sỏng được truyền vào sợi đơn mode bị khỳc xạ ra ngoài vỏ

Ưu điểm của sợi đơn mode là chỉ ghộp một mode nờn khụng cú tỏn sắc modebăng tần của sợi tăng lờn Tuy nhiờn, khú ghộp ỏnh sỏng vào sợi

2.2.2.2 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc(MM-SI)

Đặc điểm của sợi MM-SI là kớch thước lớn, đường kớnh lừi thường là 50μm.Sợi thường dựng trong hệ thống truyền dẫn cú cự ly ngắn với băng thụng sợikhoảng 20MHz

Cấu trỳc mặt cắt chiết suất được mụ tả như trong hỡnh 2.9

a a

n1

n2 Vá

Lâi

H×nh 2.9 CÊu tróc sîi ®a mode nh¶y bËc

Trong sợi MM - SI, chiết suất lõi và vỏ tạo thành dạng hình bậc thang Thôngthường, sợi được chế tạo với chiết suất vỏ nho hơn 10% so với chiết suất lõi

Khẩu độ số (NA) của sợi đặc trưng cho khả năng nhận tia sáng được tính nhưbiểu thức 2-17 :

NA= n 1 (2Δ)) 1/2 (2-17)

Trong đó : Δ=

1

2 1

n

n

n 

là độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ

Vì chỉ số chiết suất trong sợi MM-SI là không thay đổi dọc theo sợi nên khẩu

2.2.2.3 Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM - GI)

Đặc điểm kích thước của sợi cũng giống như sợi MM-SI, tuy nhiên sợi lại cóchỉ số chiết suất của lõi thay đổi Sự biến đổi của chỉ số chiết suất lõi được mô tảnhư trong công thức 2-19

a r a

r n

1 2

2 1

1



(2-19)

Trong đó : α là hệ số mặt cắt chiết suất

n1 là chiêt suất vỏ

n2 là chiết suất cực đại tại tâm sợi

Ta có mặt cắt chiết suất của sợi được biểu diễn như hình 2.10

2.2.3 Các tham số ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang

Trong quá trình truyền sóng từ phía phát đến phía thu, tín hiệu có thể bị thayđổi rất nhiều Do vậy tại phía thu tín hiệu không được như mong muốn Sự suygiảm về chất lượng tín hiệu do rất nhiều yếu tố gây ra Một trong những yếu tốquan trọng đó là tham số gây ảnh hưởng tới truyền dẫn trong sợi quang Ta xét cáctham số sau

L

z

Hình 2.11 Công suất vào ra của tín hiệu truyền qua sợi quang với độ dài L

Biến đổi cụng thức 2-22 ta cú cụng suất truyền tại khoảng cỏch L :

P(L) = P(0)exp(-L) hay 1ln ((0))

L P

P L



Trong đú : P(0) tương ứng cụng suất vào đầu sợi Pin

P(L) tương ứng cụng suất ra sợi cú chiều dài L (Pout)

Đơn vị của  là m-1 hoặc km-1

Theo đơn vị dB thỡ ta cú :    10lg  4 , 343 

in

out dB

P

P

Trong thụng tin quang cú khi đơn vị cụng suất được tớnh theo đơn vị dBm nờn

hệ số suy hao cú thể tớnh theo cụng thức :

L

P

P in out dB









b.Nguyờn nhõn và cỏc loại suy hao

Suy hao trong sợi quang cú nhiều nguyờn nhõn nhưng nguyờn nhõn cơ bản gõysuy hao trong sợi quang là do cỏc suy hao do hấp thụ, do tỏn xạ và do bị uốn congsợi

- Suy hao do hấp thụ: Bản chất ỏnh sỏng là cỏc hạt photon, mà sợi quang cũng làvật rắn cú cấu trỳc mạng tinh thể, nờn cỏc iụn hay điện tử ở đầu nỳt mạng cú thểhấp thụ photon khi ỏnh sỏng truyền qua sợi quang Sự hấp thụ này phụ thuộc vàobước súng và bản chất của vật liệu hấp thụ như cỏc tạp chất trong sợi hay vật liệuchế tạo sợi Cụ thể, trong quỏ trỡnh sản xuất sợi quang cú rất nhiều tạp chất như cỏciụn kim loại (Fe,Cu, Cr…) hoặc cỏc iụn OH- Cỏc iụn này gõy nờn cỏc đỉnh hấp thụtại bước súng chớnh là 2,7m và cỏc đỉnh súng phụ như 0,94m; 1,24m;1,39m… gõy ảnh hưởng đến súng lan truyền trong sợi

Bờn cạnh đú, bản thõn vật liệu chớnh làm nờn sợi quang là thủy tinh cũng gõynờn cỏc dải hấp thụ là hấp thụ cực tớm chỉ ở bước súng λ < 0,4m và hấp thụ hồngngoại chỉ ở bước súng λ >7m như hỡnh 2.13 Tuy nhiờn với cụng nghệ hiện đại

ngày nay, người ta có thể giảm thiểu được sự hấp thụ bằng cách loại trừ các tạpchất hình thành trong quá trình sản xuất (đặc biệt là iôn OH-).

- Suy hao do tán xạ : Tán xạ là kết quả của những khuyết tật hay nhiễu lọan trongsợi và cấu trúc vi mô của sợi Tán xạ suy ra từ những thay đổi về cấu trúc phân tử

và nguyên tử của thủy tinh hay từ những thay đổi về mật độ và thành phần sợi.Những thay đổi này do quá trình sản xuất sợi tạo ra Nó gây nên sự thay đổi vềchiết suất dẫn đến thay đổi sự phản xạ của tia sáng tại nhũng điểm trên lõi sợi mà ta

có thể gọi là các tâm tán xạ Xét hình 2.12 sau :

Vá

Lâi Tia tíi

H×nh 2.12 Sù t¸n x¹

Góc lan truyền của tia sáng tới giao diện lõi và vỏ có những thay đổi làm thayđổi tia được khúc xạ theo đường dẫn mới và không xảy ra hiện tượng phản xạ nộitoàn phần (TIR), điều này gây giảm lượng ánh sáng được lan truyền dọc theo lõisợi Có hai loại tán xạ chính là : Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie, trong đó tán xạRayleigh rất quan trọng Nguyên nhân của nó là do sự không đồng nhất của thủytinh về thành phần và mật độ Điều này gây nên sự thăng giáng về chỉ số chiết suất

và dẫn đến suy giảm công suất bước sóng theo công thức sau : R =C/λ 4 với hằng số

C nằm trong dải 0,7 0,9 dB/km và phụ thuộc vào cấu trúc sợi Còn tán xạ Mie làtán xạ xảy ra tại những nơi không đồng nhất, như những điểm có khuyết tật trongcấu trúc sợi hay sự không đồng đều của chỉ số chiết suất và bọt khí tạo ra trong quátrình sản xuất Tuy nhiên ta có thể coi tán xạ Mie là không đáng kể bằng cách chútrọng tới quá trình sản xuất để giảm thiểu các nguyên nhân gây tán xạ

Những suy giảm bởi sự tán xạ là một quá trình tuyến tính, bởi nó không gây ra

sự dịch tần, bước sóng trước và sau tán xạ không thay đổi

Hình 2.13 Các phổ suy hao do hấp thụ và tán xạ trong sợi quang [9]

- Suy hao do uốn cong sợi: Đây là những suy hao do sự uốn cong và thay đổi vềbán kính cong của sợi Có hai loại suy hao do uốn cong là : suy hao do uốn cong cỡnhỏ và suy hao do uốn cong cỡ lớn Suy hao do uốn cong cỡ lớn xảy ra khi bánkính cong của sợi giảm Ban đầu bán kính cong của sợi lớn hơn bán kính sợi Khisợi bị uốn cong thì góc lan truyền sẽ thay đổi dẫn đến một số tia sáng không cònđảm bảo điều kiện phản xạ toàn phần và dẫn đến giảm số lượng tia sáng truyềntrong lõi sợi Do đó khi bán kính cong giảm thì mức suy hao sẽ tăng Bán kính congcho phép là Rc = a/NA Trong thực tế yêu cầu bán kính cong phải lớn hơn bán kínhcong cho phép để suy hao không vượt quá 0,1dB

Suy hao do uốn cong cỡ nhỏ là do các uốn cong có bán kính cong nhỏ theotrục sợi xuất hiện do trong quá trình cài đặt, đo kiểm hay thiết lập có các lực tácđộng lên sợi quang làm sợi bị méo dạng và thay đổi các góc lan truyền của các tiasáng Ánh sáng sẽ bị mất mát ra ngoài vỏ sợi Ngoài ra nó còn gây ra quá trìnhghép cặp mode

b Nguyên nhân và các loại tán sắc

Có bốn nguyên nhân chính gây ra tán sắc và cũng là các loại tán sắc chủ yếu đó

là : Tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng, tán sắc mode và tán sắc phân cực mode

- Tán sắc mode: Nguyên nhân chính là do trong sợi có nhiều mode truyền dẫn, cácmode lại có tốc độ truyền dẫn khác nhau, nên thời gian truyền dẫn trong sợi cũngkhác nhau, và xảy ra hiện tượng tán sắc Loại tán sắc này chỉ xảy ra trong sợi đamode Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi cụ thể là bán kính lõi sợi đamode Tia kinh tuyến truyền trong các sợi đa mode (chiết suất nhảy bậc và biếnđổi) sẽ đi theo các đường khác nhau với quãng đường khác nhau Góc truyền lancủa tia càng dốc thì tia đi càng chậm Do đó có những tia thời gian truyền là Tmin và

có những tia thời gian truyền là Tmax. Ta có hệ số tán sắc mode:

c

n L

D mλ   1 (2-26)Giữa hai sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và chiết suất biến đổi thì sợi chiết suấtbiến đổi có độ méo tín hiệu ít hơn Do chiết suất lõi trong sợi MM-GI giảm dần từtrục sợi ra phía vỏ, nên các tia sáng có đường đi gần ranh giới tiếp giáp vỏ - lõi sẽtruyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục sợi cho nên cân bằng được thời giantruyền

- Tán sắc vật liệu: Nguyên nhân của loại tán sắc này là do tán sắc bên trong Nó là

sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Trong sợi có sự thay đổi vềchiết suất do vật liệu tạo ra Từ đó có sự khác biệt vể tốc độ của các thành phần phổ(bước sóng) khác nhau chạy trong mode vì vận tốc của các bước sóng phụ thuộcvào chiết suất theo phương trình :

) (

Trong đó : βi ,ωi là cường độ và tần số cộng hưởng tương ứng

M là tham số phụ thuộc vào vật liệu (ví dụ Mthủy tinh =3)

- Tán sắc ống dẫn sóng : Cũng như tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng là do sựtán sắc bên trong mode Ánh sáng truyền trong sợi không phải là đơn sắc, nó chiếmmột độ rộng phổ Δλ nào đó Vì hằng số lan truyền β là hàm của đại lượng a/λ do đó

nó phụ thuộc vào phổ (bước sóng ) ánh sáng và kích thước của lõi sợi Mặt kháctheo công thức 2-25, độ trễ nhóm ξ chịu ảnh hưởng của hệ số lan truyền β Do vậyvận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau (Ở đây chưa xét đến sự thay đổivận tốc do sự thay đổi chiết suất) Điều này dẫn đến sự chênh lệch về thời giantruyền dẫn và vì vậy có hiện tượng tán sắc

Từ các phương trình của độ trễ nhóm ta xác định được hệ số tán sắc ống dẫnsóng

] ) (

2 1

dV

Vb d V C

Tán sắc tổng trong sợi sẽ bao gồm cả ba loại tán sắc : D = D w + D mλ +D M

Ta có hình 2.15 biểu diễn các tán sắc trong dải bước sóng 1,1 - 1,7 m của sợiđơn mode Bước sóng λZD là bước sóng tại đó tán sắc tổng có giá trị 0 Rõ ràng tánsắc ống dẫn sóng luôn âm, còn tán sắc vật liệu thì bắt đầu dương tại bước sóngλ1.33m.

Δ=n x  n yK0  x  y (2-31)Trong đó : n , x n y là chiết suất hiệu dụng của mỗi mode phân cực

 ,x y là hằng số lan truyền của mỗi mode phân cực