Chương 2 Sợi quang

Chương 2 Sợi quang

Chương Sợi quang Sợi quang thành phần hệ th ng thông tin quang sợi, chịu trách nhiệm dẫn ánh sáng mang thông tin dựa tượng ph n x nội toàn phần Mặc dù tượng ph n x toàn phần biết từ 1854, sợi quang ý đến từ năm 1950 có suy hao lớn (~ 1000 dB/km) Từ 1970 có đột phá kỹ thuật chế t o sợi quang suy hao thấp (< 20 dB/km), sợi quang bắt đầu quan tâm sử dụng cho mục đích thơng tin m kỷ nguyên thông tin quang sợi Chương tập trung vào khái niệm đặc điểm b n sợi quang sử dụng hệ th ng thơng tin Các đặc tính truyền dẫn quan trọng sợi quang mơ t phân tích chương 2.1 Cấu t o phân lo i sợi quang 2.1.1 Cấu t o sợi quang Sợi quang ng dẫn sóng điện mơi ho t động t i tần s quang Cấu t o b n sợi quang có d ng hình trụ trịn bao gồm hai lớp lớp lõi sợi có chiết suất n1 lớp v sợi bao bọc quanh lõi có chiết suất n2 mơ t hình 2-1 Do ánh sáng truyền sợi quang dựa nguyên lý ph n x toàn phần nên chiết suất lớp v ph i nh chiết suất lớp lõi (n2 < n1) Mặc dù mặt nguyên lý, lớp v không cần thiết cho việc truyền ánh sáng sợi sử dụng cho s mục đích gi m suy hao tán x c hấp thụ t i bề mặt lõi, c i thiện đặc tính dẫn sóng sợi quang Lõi Lớp v Lớp bọc đệm Hình 2-1 Cấu trúc b n sợi quang Bên c nh hai lớp b n lõi v sợi, sợi quang sử dụng thực tế bọc thêm một vài lớp bọc đệm vật liệu polyme có tính đàn hồi cao Việc bọc thêm lớp bọc đệm nhằm mục đích gia cư ng thêm cho sợi 18 quang gi m khuyết tật bề mặt sợi quang, đ m b o kh sử dụng môi trư ng thực tế 2.1.2 Phân lo i sợi quang Có nhiều kiểu sợi quang khác có nhiều cách phân lo i sợi quang Nhìn chung sợi quang phân lo i dựa yếu t b n sau: - Dựa vào vật liệu chế t o - Dựa vào s lượng mode truyền dẫn - Dựa vào mặt cắt chiết suất Dựa vào vật liệu chế t o,các lo i sợi quang thư ng chế t o từ hai lo i vật liệu su t thủy tinh nhựa Các sợi quang sử dụng viễn thông chế t o từ thủy tinh cho c phần lõi v Các sợi quang nhựa thư ng có kích thước lớn suy hao cao nhiều so với sợi thủy tinh, có độ bền học t t Một s lo i sợi chế t o có lõi làm thủy tinh, cịn lớp v làm nhựa Do dựa hai lo i vật liệu khác nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp lo i khơng gi ng Sợi chiết suất biến đổi Sợi chiết suất bậc Lớp đệm Lớp v Lõi Kho ng cách chiếu tâm Kho ng cách chiếu tâm Hình 2-2 Mặt cắt ngang mặt cắt chiết suất sợi chiết suất bậc sợi chiết suất biến đổi 19 Dựa vào biến đổi chiết suất lõi hay d ng mặt cắt chiết suất, sợi quang phân thành hai lo i chính: sợi chiết suất bậc (SI – step index) sợi chiết suất biến đổi (GI – graded index) mơ t hình 2-2 Trong sợi chiết suất bậc, chiết suất lõi sợi s hay khơng thay đổi tồn mặt cắt lõi sợi Như chiết suất thay đổi t i tiếp giáp lõi v t o thay đổi d ng bậc Còn đ i với sợi chiết suất biến đổi, chiết suất lõi biến đổi theo kho ng cách từ tâm sợi biên tiếp giáp với xu hướng chiết suất t i tâm lõi lớn gi m dần phía biên lõi v Dựa theo s lượng mode truyền, sợi quang có hai lo i b n là: sợi đa mode hỗ trợ nhiều mode truyền sợi sợi đơn mode hỗ trợ mode truyền b n Khái niệm mode truyền đề cập đến phần sau Do sợi quang sử dụng viễn thông sợi thủy tinh nên dựa hai yếu t mặt cắt chiết suất s lượng mode, sợi quang phân thành ba lo i sợi chính: sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi sợi đơn mode Hình 2-3 cho thấy đặc điểm cấu trúc ba lo i sợi quang Các đặc tính truyền dẫn ba lo i sợi đề cập chi tiết phần sau Mặt cắt chiết suất Mặt cắt sợi quang quỹ đ o tia Kích thước điển hình Sợi đơn mode Sợi đa mode chiết suất bậc Sợi đa mode chiết suất biến đổi Hình 2-3 So sánh cấu trúc lo i sợi quang b n sử dụng viễn thơng Ngồi cách phân lo i b n sợi quang trên, sợi quang phân lo i theo nhiều cách khác tùy theo mục đích sử dụng hay tính sợi Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn sợi quang có thêm lo i sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng để bù nh hư ng tán sắc, sợi trì phân cực cho phép trì tr ng thái 20 phân cực tín hiệu lan truyền, sợi phi tuyến (HNLF) có hệ s phi tuyến cao dùng ứng dụng xử lý tín hiệu quang Dựa vào cấu trúc đặc biệt có lo i sợi tinh thể photonic (PCF) hay cịn gọi sợi vi cấu trúc có lớp v c vùng lõi vài trư ng hợp chứa lỗ khơng khí ch y dọc theo sợi Sự xếp cấu trúc PCF xác định đặc tính dẫn ánh sáng sợi 2.2 Truyền sóng ánh sáng sợi quang 2.2.1 Mơ t theo quang hình học Quá trình dẫn ánh sáng sợi quang hiểu cách đơn gi n qua lý thuyết quang hình Mặc dù lý thuyết mô t gần cho trình dẫn sóng ánh sáng sử dụng đ i với sợi có bán kính lõi a lớn nhiều so với bước sóng ánh sáng  Do lý thuyết thư ng đ i với sợi quang đa mode a Sợi chiết suất bậc (SI) Trong sợi chiết suất bậc, chế truyền dẫn ánh sáng mơ t b n b i b i lý thuyết tia hình 2-4 Tia sáng vào lõi sợi từ môi trư ng ngồi có chiết suất n0 t i góc i so với trục sợi Do chiết suất mơi trư ng thư ng nh chiết suất lõi sợi nên tia sáng bị khúc x phía trục sợi với góc khúc x r xác định qua định luật Snell: n0 sin  i  n1 sin  r (2.1) Tia sáng sau tới bề mặt tiếp giáp lõi v với góc tới  Nếu góc tới nh góc tới h n c tia sáng bị khúc x ngồi v , cịn lớn góc tới h n tia sáng ph n x tồn phần lõi sợi lan truyền sợi quang Góc tới h n xác định qua định luật Snell: sin c  n2 n1 (2.2) Như có tia sáng vào sợi có góc >c bị giam hãm sợi thông qua ph n x tồn phần Từ hai phương trình (2.1) (2.2), góc lớn tia sáng vào bị giam hãm sợi xác định b i: n0 sin  i  n1 cos c  n12  n22  12 (2.3)  =  −  sử dụng Phương trình (2.3) định nghĩa độ s (Numerical apature - NA) sợi chiết suất bậc: 21 NA  n1 2  , 12   n1  n2  n1 (2.4)  độ lệch chiết suất tương đ i lõi v Vì độ s liên quan đến góc vào sợi quang lớn tia sáng nên đặc trưng cho kh tiếp nhận ánh sáng sợi quang nh hư ng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang sợi Tia không dẫn Chiết suất lõi n1 Tia dẫn Chiết suất v n2 Hình 2-4 Mơ t quang hình chế lan truyền ánh sáng sợi SI Đứng quan điểm lý thuyết tia, mode sợi quang xem lo i tia sáng lan truyền sợi t i góc xác định Như ánh sáng vào sợi đa mode chiết suất bậc lan truyền nhiều mode hay nói cách khác lan truyền nhiều tia sáng với góc lan truyền khác Do chiết suất lõi sợi chiết suất bậc không thay đổi nên tia sáng thẳng lõi ph n x toàn phần t i bề mặt lõi v t o quỹ đ o tia sáng có d ng đư ng zig-zac Các tia lan truyền t i góc khác có quãng đư ng khác gây tán sắc mode làm méo d ng xung quang lan truyền Có lo i tia sáng lan truyền sợi quang: tia kinh tuyến (tia thẳng) tia xiên Các tia kinh tuyến tia bị giam hãm mặt phẳng qua trục tâm sợi Một tia kinh tuyến xác định ph n x toàn phần dọc theo sợi quang mặt phẳng đơn Các tia xiên không bị giam hãm mặt phẳng đơn qua tâm mà có đư ng d ng xốy c dọc theo sợi quang mơ t hình 2-5 Mặc dù sợi hỗ trợ c tia xiên, tia thư ng dễ bị tán x kh i sợi chỗ bị u n cong hay khuyết tật chúng tr i qua suy hao lớn so với tia kinh tuyến 22 Quỹ đ o tia chiếu bề mặt đầu sợi Quỹ đ o tia Hình 2-5 Mơ t hình học lan truyền tia xiên sợi quang SI b Sợi chiết suất biến đổi Sợi chiết suất biến đổi có chiết suất lõi gi m dần theo kho ng cách từ tâm sợi Một cách tổng quát, mặt cắt chiết suất sợi mô t b i:   n1  (r / a) ; n( r )    n1 (1  )  n2 ra ra (2.5)  hệ s mặt cắt chiết suất xác định d ng biến đổi mặt cắt chiết suất lõi sợi, a bán kính lõi sợi, r kho ng cách xuyên tâm Hầu hết sợi chiết suất biến đổi có d ng mặt cắt parabol hay  = Do chiết suất biến đổi bên lõi nên độ s sợi chiết suất biến đổi hàm vị trí mặt cắt lõi sợi Khẩu độ s t i vị trí r xác định  b i:   n (r )  n22 NA(r )    0  12  NA(0)  (r / a) ; NA(0) độ s t i tâm sợi  NA(0)  n (0)  n22  12   n12  n22  12  n1 2 ra ra (2.6) (2.7) Như độ s sợi GI gi m dần từ NA(0) xu ng đến r dịch từ trục sợi tới biên lõi v Sự biến đổi chiết suất lõi làm cho tia sáng lõi sợi không truyền thẳng mà bị u n cong Quỹ đ o tia mơ t gần b i phương trình: d r dn  dz n dr (2.8) 23 r kho ng cách tia so với trục Đ i với trư ng hợp  = 2, nghiệm phương trình (2.8) có d ng: = cos +(  )sin⁡ ( ) (2.9) p = (2/a2)1/2 r0 r0’ vị trí hướng tia vào sợi tương ứng Như sợi GI quỹ đ o tia sáng có d ng đư ng cong hình sin mơ t hình 2-6 Phương trình (2.9) cho thấy tia phục hồi vị trí hướng ban đầu chúng t i kho ng cách z = 2m/p, m la s nguyên Do mặt nguyên tắc, sợi mặt cắt parabol không biểu thị tán sắc mode Trong thực tế, sợi chiết suất biến đổi có tán sắc mode nh nhiều so với sợi chiết suất bậc Cũng sợi SI, có hai lo i tia gồm tia kinh tuyến tia xoắn hỗ trợ lan truyền sợi Các tia xoắn không qua trục sợi bị u n cong lan truyền t o thành vòng xoắn chiếu mặt cắt lõi sợi Hình 2-6 Quỹ đ o tia sáng sợi GI 2.2.2 Lý thuyết truyền sóng Để hiểu b n chất mode truyền ánh sáng đặc tính truyền dẫn kháctrong sợi quang, đặc biệt sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ phương trình Maxwell cần sử dụng a Hệ phương trình Maxwell Cũng tất c tượng sóng điện từ, trình lan truyền trư ng quang sợi mơ t b i hệ phương trình Maxwell Trong mơi trư ng điện mơi khơng có điện tích tự do, hệ phương trình có d ng: (2.10) (2.11) (2.12) 24 (2.13) E H vec tơ cư ng độ điện trư ng từ trư ng tương ứng, D B vec tơ c m ứng điện từ tương ứng Các vec tơ c m ứng liên hệ với vec tơ cư ng độ trư ng qua hệ thức sau: (2.14) (2.15) 0 s điện mơi chân khơng, µ0 s từ mơi hay độ từ thẩm chân không, P M vec tơ phân cực điện từ tương ứng Đ i với sợi quang M = vec tơ phân cực điện P điều kiện tuyến tính liên hệ với E qua: (2.16) Hệ s c m ứng điện  nhìn chung tensor h ng hai, môi trư ng đẳng hướng thủy tinh chế t o sợi rút gọn thành đ i lượng vơ hướng Các phương trình (2.1)-(2.7) cung cấp hệ thức tổng quát cho việc nghiên cứu trình truyền sóng sợi quang Để thuận tiện biến đổi sử dụng đ i lượng điện trư ng E đ i lượng H có biến đổi tương tự Bằng việc lấy curl ptr (2.10) sử dụng ptr (2.11), (2.14) (2.15), phương trình sóng tiêu chuẩn thu được: (2.17) t c độ ánh sáng chân không định nghĩa b i c = (µ00)-1/2 Lấy khai triển Fourier E(r,t) qua hệ thức: (2.18) tương tự đ i với P(r,t) sử dụng ptr (2.16), ptr (2.17) viết miền tần s sau: (2.19) s điện mơi phụ thuộc tần s định nghĩa sau: (2.20) 25 (�, ) khai triển Fourier (r,t) Một cách tổng quát, (r,) phức Các thành phần thực o liên hệ với chiết suất n hệ s hấp thụ  qua biểu thức:   n  ic 2 2 Sử dụng ptr (2.20) (2.21), n  liên hệ với  sau: 1/ n  1  Re ~     nc Im ~ (2.21) (2.22) (2.23) Re Im ký hiệu cho phần thực o tương ứng C hai đ i lượng n  phụ thuộc tần s Sự phụ thuộc tần s n liên quan đến hiệu ứng tán sắc vật liệu sợi quang Trước gi i phương trình (2.19), s gần thực để đơn gi n hóa phương trình Trước hết,  lấy phần thực thay n2 suy hao nh sợi quang thủy tinh Thứ hai, n(r,) độc lập với tọa độ không gian r c lõi v sợi SI, ta sử dụng đẳng thức: (2.24) ptr (2.12) hệ thức =  sử dụng để đặt  = Ptr (2.24) cho sợi GI biến đổi chiết suất x y cỡ độ dài dài bước sóng Bằng cách sử dụng (2.24) vào (2.19), ta thu được: (2.25) hệ s sóng khơng gian tự k0 định nghĩa sau: k0   c  2  (2.26)  bước sóng trư ng quang chân không dao động t i tần s  Một phương trình sóng cho đ i lượng vec tơ cư ng độ từ trư ng H thu theo cách tương tự Các phương trình sóng cần gi i để thu mode sợi quang b Các mode sợi quang Một mode quang xem nghiệm phương trình sóng th a mãn điều kiện biên phù hợp có thuộc tính d ng phân b lượng không gian không thay đổi lan truyền Các mode sợi quang phân lo i thành mode dẫn, mode dò mode x Các mode dò bị giam hãm 26 phần lõi dễ bị suy hao x công suất kh i lõi lan truyền, mode x không bị giam hãm lõi mà bị x v Do mode dẫn mode mong đợi để truyền dẫn ánh sáng sợi quang Để xác định mode sợi quang, xét trư ng hợp sợi SI hệ tọa độ trụ cho hình 2-7 Vec tơ cư ng độ điện trư ng từ trư ng hệ tọa độ trụ là: (2.27) Lõi sợi Trục sợi Chiều sóng lan truyền Hình 2-7Hệ tọa độ trụ phân tích lý thuyết truyền sóng sợi SI Phương trình sóng (2.25) hệ tọa độ trụ tr thành: (2.28) tốn tử Laplace có d ng: 2      2 2  r   r r  r  r  z (2.29) Phương trình tương tự thu đ i với H Vì có hai thành Ez Hz độc lập, thành phần khác Er, E, Hr H thu từ thành phần Do vậy, phương trình sóng cho thành phần z thu từ (2.28):  E z E z  E z  E z     n k 02 E z  2 r r r  r z với chiết suất có d ng: n ; n( r )    n2 ; ra ra (2.30) (2.31) 27 10 THz cho thấy hình 2-40 B n chất băng rộng nhiều đỉnh phổ b n chất vơ định hình thủy tinh Cụ thể hơn, mức lượng dao động phân tử thủy tinh gộp l i với hình thành d i băng Kết qu tần s Stokes s khác với tần s bơm p d i rộng Hệ s khuyếch đ i lớn x y dịch Raman  =  −  kho ng 13 THz Giá trị đỉnh gR kho ng 1x10-13 m/W t i bước sóng µm Giá trị định cỡ tuyến tính theo p sinh ≈ 10−13 m/W t i 1,55 µm Mức ngưỡng cơng suất Pth xác định cơng suất tới t i nửa công suất bơm truyền cho trư ng Stokes t i đầu sợi quang có độ dài L sau g R Pth Leff Aeff  16 (2.149) gần 1,55 µm Hệ s khuyếch đ i Raman (x10-13 m/W) Nếu Aeff = 50 µm2  = 0,2 dB/km, Pth kho ng 570 mW Các tr ng thái dao động Tr ng thái Độ dịch tần s (THz) Hình 2-40 (a) Phổ khuyếch đ i Raman thủy tinh nóng ch y t i  = 1µm (b) Gi n đồ mức lượng trình SRS C hai hiệu ứng SBS SRS nh hư ng đến hệ th ng thơng tin quang, đặc biệt hệ th ng đa kênh gây xuyên nhiễu, sử dụng để thiết kế khuyếch đ i quang sợi hệ th ng 2.6.3Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến Các hiệu ứng điều chế pha phi tuyến sinh phụ thuộc chiết suất vào cư ng độ tín hiệu quang Nguồn g c vật lý hiệu ứng nằm đáp ứng phi điều hòa điển tử đ i với trư ng quang sinh c m ứng điện phi tuyến Chiết   xuất sợi thủy tinh bao gồm c thành phần phi tuyến xác định sau nj  n j  n2 P Aeff , j = 1, (2.150) 73 hệ s chiết suất phi tuyến, P công suất quang Aeff diện tích hiệu dụng Giá trị kho ng 2,6x10-20 m2/W đ i với sợi thủy tinh biến đổi theo t p chất sử dụng lõi sợi Vì giá trị nh nên phần chiết suất phi tuyến bé (< 10-12 mức công suất mW) Tuy tác động lên hệ th ng thơng tin quang sợi tuyến kho ng cách lớn Cụ thể dẫn tới hiệu ứng tự điều chế pha điều chế pha chéo Hình 2-41 Sự biến đổi theo th i gian gây b i SPM: (a) độ dịch pha NL (b) độ chirp tần cho xung Gauss (đư ng đứt nét) siêu Gauss (đư ng liền) a Quá trình tự điều chế pha nh hư ng chiết suất phi tuyến xem xét qua phụ thuộc s lan truyền vào cơng suất viết sau:      k0 n2 P Aeff    P  = 2 ( (2.151) ) hệ s phi tuyến có giá trị thư ng d i từ đến W /km phụ thuộc vào giá trị Aeff bước sóng Pha tín hiệu quang tăng tuyến -1 tính theo z, s h ng  t o dịch pha phi tuyến xác định b i  NL       dz   P z dz  Pin Leff = L L 0 (2.152) exp(− ) gi i thích cho suy hao sợi quang Trong hệ th ng thực tế, Pin thay đổi theo th i gian làm cho NL biến đổi theo th i gian theo d ng tín hiệu quang Vì điều chế pha phi tuyến b n thân tín hiệu gây nên gọi tự điều chế pha (SPM) Rõ ràng SPM gây chirp tần tỉ lệ với đ o hàm phụ thuộc vào d ng xung Hình 2-41 cho thấy biến đổi 74 dịch pha phi tuyến chirp tần xung  � = trư ng hợp xung Gauss (m = 1) xung siêu Gauss (m = 3) Chirp tần gây b i SPM m rộng phổ tác động đến d ng xung thông qua GVD Để SPM không nh hư ng đến hệ th ng thông tin quang, cần thiết giữ �� (mức cho phép lớn 0,1) b Quá trình điều chế pha chéo Sự phụ thuộc chiết suất vào cư ng độ dẫn tới tượng phi tuyến khác gọi điều chế pha chéo (XPM) Quá trình x y hai nhiều kênh bước sóng phát đồng th i sợi quang Trong hệ th ng vậy, dịch pha phi tuyến kênh xác định không phụ thuộc vào công suất kênh mà cịn vào cơng suất kênh khác Độ dịch pha kênh thứ j  jNL  Leff  Pj  2 Pm     m j  (2.153) Hệ s (2.153) có nguồn g c theo d ng độ c m ứng điện phi tuyến XPM hiệu suất gấp hai lần SPM mức công suất Sự dịch pha tổng cộng phụ thuộc vào công suất tất c kênh biến đổi từ bit sang bit khác phụ thuộc vào mẫu bít kênh lân cận Nếu gi sử kênh có cơng suất độ dịch pha trư ng hợp tệ mà tất c kênh mang bit đồng th i tất c xung xếp chồng lên xác định b i  jNL   2M  1Pj (2.154) Nó khó để ước tính tác động XPM lên hệ th ng thơng tin quang sợi có mặt GVD Thực tế xung kênh bước sóng khác lan truyền t c độ khác tán sắc Sự dịch pha XPM x y hai xung xếp chồng mặt th i gian Nếu kênh cách xa chúng xếp chồng th i gian ngắn nên XPM b qua Cịn khơng xung kênh lân cận xếp chồng đủ dài để hiệu ứng XPM tích lũy nh hư ng đến hệ th ng 2.6.4 Trộn bốn sóng Hiện tượng phi tuyến gọi trộn b n sóng (FWM) có nguồn g c từ (3) Nếu ba trư ng quang có tần s sóng mang 1, 2 3 kết hợp đồng th i sợi quang, (3) sinh trư ng thứ tư có tần s 4 liên hệ với tần s khác qua hệ thức 4 = 1 ± 2 ± 3 Trong thực tế tổ hợp đòi h i ph i hợp 75 pha Thư ng tổ hợp 4 = 1 + 2 − 3 quan tâm nh hư ng đến hệ th ng đa kênh dễ ph i hợp pha kênh ho t động sát bước sóng tán sắc khơng Khi 1 = 2 ta có q trình FWM suy biến mơ t hình 2-42 Hình 2-42 Q trình trộn b n sóng (a) trư ng hợp suy biến (b) trư ng hợp không suy biến Điều kiện ph i hợp pha bắt nguồn từ yêu cầu b o tồn xung lượng q trình Vì tất c b n sóng lan truyền chiều nên độ sai lệch pha viết thành    3    4    1    2  (2.155) () s lan truyền trư ng quang t i tần s  Trong trư ng hợp suy biến 1 = 2 , 3 = 1 +  3 = 1 −  ,  kho ng cách kênh Sử dụng khai triển Taylor ptr.(2.103), độ lệch pha xác định đơn gi n ∆= 2 2 Quá trình FWM ph i hợp pha hoàn toàn 2 = Khi 2 nh q trình x y truyền công suất từ kênh sang kênh lân cận gần Q trình truyền cơng suất không gây suy hao công suất kênh mà gây xuyên âm làm suy gi m nghiêm trọng hiệu hệ th ng Tuy nhiên FWM sử dụng ứng dụng xử lý tín hiệu quang tách kênh quang, chuyển đổi bước sóng hay làm liên hợp pha quang 2.7 Cáp sợi quang 2.7.1 Chế t o sợi quang Như đề cập phần 2.1.2 hầu hết sợi quang sử dụng viễn thông sợi thủy tinh Lo i thủy tinh su t sử dụng chủ yếu chế t o sợi quang thủy tinh ôxit silic (SiO2) có chiết suất 1,458 t i 850 nm Để t o hai lo i vật liệu khác chút chiết suất cho phần lõi v sợi quang s 76 t p chất B2O3, GeO2 hay P2O5 thêm vào thủy tinh SiO2 Phụ thuộc vào lo i t p chất thêm vào mà chiết suất thủy tinh tăng thêm hay gi m so với vật liệu tinh khiết ban đầu thấy hình 2-43 Một s ví dụ thành phần sợi quang như: Lõi GeO2-SiO2; v SiO2 - Lõi P2O5-SiO2; v SiO2 - Lõ SiO2; V B2O3-SiO2 - Lõi GeO2-B2O3-SiO2; v B2O3-SiO2 Chiết suất - Nồng độ pha t p (% mol) Hình 2-43 Sự biến đổi chiết suất theo nồng độ pha t p thủy tinh SiO2 Có hai kiểu kỹ thuật b n chế t o sợi quang: Kỹ thuật chế t o nóng ch y trực tiếp (1 giai đo n) kỹ thuật chế t o sợi từ phôi (2 giai đo n) Kỹ thuật chế t o nóng ch y trực tiếp kỹ thuật truyền th ng ban đầu sử dụng để s n xuất sợi quang cách làm nóng ch y thành phần thủy tinh tinh chế để kéo trực tiếp thành sợi quang Mặc dù kỹ thuật cho phép kéo sợi liên tục việc n p nguyên liệu thành phần đầu vào nồi nung ch y, thư ng sử dụng cho thủy tinh có điểm nóng ch y thấp khó điều khiển để đ m b o sợi quang kéo đồng gây nh hư ng đến tính sử dụng sợi Do phương pháp hai giai đo n sử dụng bao gồm giai đo n đầu chế t o phôi sợi giai đo n hai thực kéo sợi quang từ phơi s n xuất Q trình chế t o phôi sợi quang thực qua trình ơxy hóa pha hay phương pháp lắng đọng pha hóa chất Trong q trình này, hóa chất clorua kim lo i (VD: SiCl4 GeCl4) có độ tinh khiết cao ph n ứng hóa học với ơxy để hình thành h t muội SiO2 Các h t muội tập hợp bám bề mặt thủy tinh d ng kh i kỹ thuật thông thư ng sử dụng khác sau thiêu kết (chuyển thành d ng thủy tinh đồng 77 nhiệt nung) để hình thành ng thủy tinh Thanh ng thủy tinh gọi phơi có kích thước điển hình kho ng 10 – 25 mm đư ng kính dài kho ng 60-120 cm Cấu trúc phôi tương tự cấu trúc sợi quang kéo sau khác kích thước B n kỹ thuật thông thư ng sử dụng để chế t o phơi là: - Phương pháp lắng đọng pha bên (OVD) - Phương pháp lắng đọng pha theo trục (AVD) - Phương pháp lắng đọng pha bên (MCVD) - Phương pháp lắng đọng pha ho t tính plasma (PCVD) Thanh phơi sợi cn p phơi Buồng khí trơ b o vệ kh i khí ơxy tránh ơxy hóa carbon Lị nung carbon Điều khiển t c độ kéo sợi Hộp cộng hư ng có ph n x đồng tiêu cự Lị xo điều chỉnh Hình 2-44 Hệ th ng kéo sợi quang từ phôi Giai đo n tiếp theo, sợi quang kéo từ phôi việc sử dụng hệ th ng thiết bị kéo sợi hình 2-44.Phơi n p xác vào lị nung gọi 78 lị kéo T i đầu phơi mềm tới điểm để kéo thành sợi m ng tức sợi quang T c độ quay tr ng sợi t i đáy tháp lò kéo xác định t c độ kéo sợi Vì định độ dày hay kích thước sợi quang, t c độ quay xác cần ph i đ m b o Một giám sát kích thước sợi quang sử dụng m ch vòng hồi tiếp để điều chỉnh t c độ Để b o vệ sợi quang thủy tinh kh i nhiễm bẩn nước bụi lớp bọc đàn hồi từ vật liệu polymer thực cho sợi kéo Độ dày lớp bọc b o vệ thư ng kho ng 250 µm 2.7.2 Cáp sợi quang Để sử dụng thực tế, sợi quang trần sau s n xuất tiếp tục bện thành cáp sợi quang để đ m b o độ bền học sử dụng.Một đặc tính học quan trọng cáp sợi quang t i trục cho phép lớn lên cáp yếu t xác định độ dài cáp lắp đặt cách đ m b o Trong cáp đồng b n than dây dẫn đồng nói chung thành phần mang t i cáp độ dãn dài lớn 20% mà khơng bị gãy Nói cách khác, sợi quang kh e bị gãy mức kéo dãn 4%, cịn sợi quang điển hình có độ kéo dãn gãy sợi kho ng 0,5 – 1% Vì độ m i tĩnh x y nhanh mức ứng suất 40% độ dãn cho phép chậm mức 20%, nên độ dãn sợi trình s n xuất lắp đặt cáp cần giới h n mức 0,1 – 0,2% V cáp Thành phần gia cư ng d ng sợi Thành phần gia cư ng bọc đệm Băng quấn giấy/nhựa Kh i chứa sợi quang b n Dây dẫn đồng cách điện Lớp v PVC/Polyurethane Hình 2-45 Một ví dụ cấu trúc cáp sợi quang điển hình Cấu trúc cáp phụ thuộc vào lo i ứng dụng mà cáp sử dụng, có nguyên tắc b n chung cho thiết kế cáp sợi quang Một cấu trúc cáp sợi quang b n bao gồm thành phần sau: lõi cáp, thành phần gia cư ng, chất độn v cáp Thành phần gia cư ng giúp b o vệ sợi quang kh i tác động học giữ ổn định cho cáp lắp đặt sử dụng Có hai lo i thành phần gia cư ng tùy thuộc 79 vào vị trí chúng cáp thành phần gia cư ng trung tâm thành phần gia cư ng bao xung quang Thư ng dây thép sử dụng làm thành phần gia cư ng cho cáp Nhưng s ứng dụng địi h i cấu trúc không kim lo i để tránh hiệu ứng c m ứng điện từ để gi m trọng lượng cáp, thành phần gia cư ng phi kim lo i sợi tổng hợp có độ bền kéo căng cao sử dụng Một lo i sợi quen thuộc Kevlar, vật liệu nylon tổng hợp mầu vàng mềm dai thuộc họ sợi chung gọi aramit Quá trình chế t o cáp t t cách ly sợi quang kh i thành cáp khác thành phần gia cư ng, giữ cho chúng sát với trục trung tâm cáp cho phép sợi dịch chuyển tự cáp bị gập kéo căng Phần lõi cáp bao gồm sợi quang bọc đệm bện xoắn quanh thành phần gia cư ng trung tâm đặt vào lõi có rãnh xoắn sẵn có làm từ vật liệu nhựa Có s kiểu xoắn sợi quang lõi cáp như: kiểu S (xoắn thuận), kiểu Z (xoắn nghịch) kiểu hỗn hợp SZ Việc xoắn sợi giúp đ m b o gi m tác động bên lên sợi làm cho chiều dài thực tế sợi quang dài so với chiều dài cáp Tùy thuộc vào s lượng sợi mà phần lõi xếp theo d ng lớp hay theo d ng đơn vị Các d i băng nhựa giấy sử dụng để quấn bao bọc phần lõi để giữ ổn định cấu trúc lõi gắn kết nhóm sợi quang với ng nhựa nhiệt dẻo Sợi quang thủy tinh Lớp bọc đệm (250 m) Lớp đệm (900 m) Sợi quang (b) Mặt trước Mặt bên Sợi tơ gia cư ng (a) V cáp (đư ng Các sợi bọc đệm (c) (đư ng kính ngồi 250 m) kính ~ 2,4 mm) Lớp bọc nhựa Hình 2-46 Các kiểu bọc đệm sợi quang (a) Bọc đệm chặt, (b) bọc đệm l ng, (c) bọc đệm d ng băng dẹt Trước bện xoắn, sợi quang cần bọc đệm thêm cho sợi quang trần Có hai kiểu bọc đệm sợi quang: bọc đệm chặt bọc đệm l ng Các cáp với sợi bọc đệm chặt thư ng sử dụng nhà, cácsợi bọc đệm l ng sử dụng cấu trúc cáp tr i Một kiểu cấu trúc bọc đệm d ng băng dẹt, d ng m rộng bọc đệm chặt Trong cấu trúc đệm chặt ví dụ hình 2-46(a), sợi quang trần có lớp bọc đệm 250 µm tiếp tục bọc thêm lớp đệm nhựa ơm sát sợi với độ dày cỡ 900 µm Trong cấu 80 trúc đệm l ng, sợi quang trần bọc ng nhựa dẻo có đư ng kính lớn nhiều đư ng kính sợi trần ví dụ hình 2-46(b) Trong cấu trúc này, sợi quang dịch chuyển tự ng đệm b o vệ sợi kh i kéo căng cấu trúc cáp gây b i s yếu t thay đổi nhiệt độ, lực t i tác động Trong trư ng hợp cáp nhiều sợi, để đơn gi n việc hàn n i cáp, nhà thiết kế hay lựa chọn cấu trúc d i băng dẹt Trong kiểu cấu trúc này, nhiều sợi quang đồng chỉnh xác với bọc b i lớp đệm nhựa để hình thành d i băng dài liên tục S lượng sợi d i băng thư ng d i từ đến 12 sợi Các d i băng xếp chồng lên để hình thành kh i hay bó sợi với s lượng lớn (VD: 144 sợi) Các lớp bọc đệm ng đệm sợi quang thư ng đánh mầu khác cấu trúc cáp nhiều sợi để giúp dễ dàng nhận biết xác sợi quang q trình lắp đặt hàn n i Chất độn d ng chất gel hay mỡ sử dụng để điền đầy ng đệm l ng hay kho ng tr ng cáp có kh ch ng ẩm, ch ng thấm nước khơng ph n ứng hóa học với thành phần khác khó cháy V cáp bao bọc tồn cấu trúc cáp cần có đặc tính lý hóa học t t đ m b o độ bền ép ứng suất kéo căng tác động lên cáp để sợi bên lõi không bị h ng Lớp v b o vệ cáp kh i cọ sát mài mòn, độ ẩm, dung mơi hóa chất, dầu chất nhiễm bẩn khác Tuy thuộc vào lo i cáp ứng dụng mà có kiểu v cáp khác cấu trúc Vật liệu sử dụng để làm v cáp thư ng sử dụng lo i nhựa polymer PVC (Polyvinylclorua), PU (Polyurethan) hay PE (Polyethylene) Vật liệu PE thư ng hay sử dụng cho v cáp tr i Phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể cáp quang mà cấu trúc cáp có đặc điểm riêng Các cáp sợi quang phân lo i theo nhiều cách khác theo mục đích sử dụng theo điều kiện lắp đặt Cấu trúc đệm l ng Thành phần gia cư ng trung tâm Cấu trúc đệm l ng Các băng quấn bọc Băng thép cuộn sóng Chất độn chặn nước Lớp v PE Lớp v PE Chất độn điền đầy chặn nước Thành phần gia cư ng (các dây thép) Các băng quấn bọc chất ch ng ẩm Lớp v PE Băng quấn bọc v chì Lớp v PE Lớp đệm (sợi tơ + nhựa đư ng) Bọc dây thép m điện Lớp v b o vệ Hình 2-47 Ví dụ cấu trúc cáp sợi quang (a) Cáp tr i, (b) Cáp quang biển 81 2.7.3 Hàn kết nối sợi quang a Các yếu tố nh hưởng đến suy hao mối nối sợi quang Có s yếu t nh hư ng đến suy hao m i n i hai đầu sợi quang bao gồm chất lượng mặt cắt đầu sợi, vị trí tương đ i hai đầu sợi độ lệch tham s hai sợi quang Đầu sợi phẳng nhẵn Bề mặt phẳng nhẵn Bề mặt bị sứt mẻ Đầu lồi Hình 2-48 Ví dụ đầu sợi quang cắt không đ m b o Các đầu sợi quang trước kết n i chuẩn bị đ m b o chất lượng t t để gi m thiểu suy hao kết n i Một đầu sợi quang t t cần đ m b o s ch với bề mặt phẳng nhẵn vng góc với trục sợi Chất lượng đầu sợi xác định chủ yếu qua bước cắt đầu sợi, việc cắt đầu sợi không t t làm cho đầu sợi bị sứt mẻ ghồ ghề ví dụ hình 2-48 gây suy hao lớn kết n i Hình 2-49 Các lỗi đồng chỉnh b n x y kết n i (a) Lệch tâm, (b) Khe h , (c) Lệch trục Diện tích lõi xếp chồng Lõi sợi phát Lõi sợi thu Công suất ghép Cơng suất bị Hình 2-50 Sự lệch tâm khe h hai đầu sợi quang Trong trình kết n i hai đầu sợi quang, vị trí tương đ i hai đầu sợi liên quan đến q trình đồng chỉnh nh hư ng có nghĩa đến chất lượng hàn n i Có ba kiểu lỗi đồng chỉnh b n hai đầu sợi cho thấy hình 2-49 bao gồm lệch tâm, khe h lệch trục Sự lệch tâm x y trục hai sợi bị lệch kho ng d yếu t thư ng gặp thực tế Sự lệch tâm làm gi m diện tích xếp chồng hai bề mặt đầu sợi cho thấy hình 2-50(a) 82 dẫn tới gi m lượng công suất quang ghép cặp từ sợi sang sợi Khe h x y sợi đồng chỉnh thẳng hàng trục có khe h s hai đầu sợi làm cho phần công suất quang s mode bậc cao bị chặn b i sợi thu gây suy hao cho thấy hình 2-50(b) Khi trục hai sợi bị lệch góc t i m i n i phần cơng suất quang kh i sợi đầu nằm ngồi góc tiếp nhận sợi thu bị mát Mức tổn hao so sánh qua thực nghiệm gây b i lỗi đồng chỉnh thể qua hình 2-51 đ i với sợi đa mode GI t i hai đư ng kính lõi 50 55 µm độ lệch tâm kho ng khe h chuẩn hóa theo bán kính sợi a, cịn độ lệch trục chuẩn hóa theo độ s cực đ i sợi Hình 2-51 cho thấy ba lỗi đồng chỉnh suy hao chiếm nhiều gây lệch tâm Trong thực tế độ lệch trục chuẩn hóa hàn n i đ t nh 1% (tương đương 1o) mức suy hao tất c lỗi nên nh 0,5 dB Trong trư ng hợp hàn nóng ch y, suy hao khe h b qua, đ i với connector hai đầu sợi cách khe h nh để tránh cọ sát vào gây h ng kết n i Kho ng cách khe h thư ng ph m vi từ 0,025 đến 0,1 mm Độ lệch trục (góc) chuẩn hóa, /arcsin NA(0) Chỉ lệch Do lệch góc t i s/a = Chỉ khe h Độ lệch tâm chuẩn hóa d/a kho ng cách s/a Hình 2-51 So sánh thực nghiệm suy hao (theo dB) lỗi đồng chỉnh Một yếu t nh hư ng đến suy hao hàn n i khác biệt thông s hai sợi kết n i khác đư ng kính lõi, khác đư ng kính v , khác độ s hay có độ méo khác mơ t hình 2-52 Đây 83 coi yếu t khách quan sợi quang gây Sự khác biệt tham s không tránh kh i kết n i sợi quang từ nhà s n xuất khác Sai khác đư ng kính lõi Sai khác NA Khơng đồng tâm Sai khác đư ng kính v Méo elip Hình 2-52 Mô t khác biệt thông s sợi quang nh hư ng đến suy hao hàn n i b Hàn nóng ch y Kỹ thuật hàn nóng ch y sử dụng để n i vĩnh viễn hai sợi quang với dọc tuyến truyền dẫn Hai đầu sợi quang sau làm s ch cắt đ m b o yêu cầu đặt vào giữ sợi rãnh chữ V máy hàn nóng ch y hình 2-53 Các đầu sợi đưa vào gần đồng chỉnh thủ công tự động Hiện hầu hết máy hàn nóng ch y có kh tự động đồng chỉnh đầu sợi nh hệ th ng camera giám sát đo kiểm tự động máy hàn Đầu hàn nóng ch y laser hồ quang điện Đầu sợi quang để hàn Khay giữ sợi vi chỉnh Hình 2-53 Kỹ thuật hàn nóng ch y sợi quang Sau đồng chỉnh t t, hai đầu sợi đ t nóng tia hồ quang điện xung laser đến mức đầu sợi bị nóng ch y tức gắn kết với Quá trình đ t nóng thực qua hai giai đo n: giai đo n đầu đầu sợi đ t nóng mức cơng suất thấp để làm s ch đầu sợi trước đ t nóng giai đo n sau với mức cơng suất lớn để làm nóng ch y đầu sợi Kỹ thuật t o m i hàn có suy hao thấp (có giá trị trung bình điển hình nh 0,06 dB) c Connector quang 84 Sử dụng connector quang để kết n i có suy hao lớn so với m i hàn nóng ch y l i cho phép kh tháo lắp cách linh ho t hệ th ng Có nhiều lo i connector quang khác sử dụng ứng dụng khác tiến triển theo phát triển hệ th ng Một lo i connector quang t t có suy hao ghép n i thấp, ổn định sử dụng, độ tin cậy cao dễ dàng tháo lắp Hình 2-54 cho thấy s lo i connector quang điển hình sử dụng hệ th ng thông tin quang Các đầu connector quang kết n i với qua adapter quang tương ứng hình 2-55 Hiện suy hao trung bình kết n i connector quang cỡ 0,3 dB Thông thư ng kết n i connector quang thực qua tiếp xúc vật lý (PC), có phần nh ánh sáng bị ph n x t i đầu sợi kết n i gây nh hư ng đến hệ th ng Trong s hệ th ng yêu cầu phần ánh sáng ph n x t i điểm kết n i ph i nh , connector quang có đầu vát nghiêng (APC) sử dụng Hình 2-54 Một s lo i connector quang điển hình Hình 2-55 Một s lo i adapter tương ứng để kết n i connector quang 85 Câu hỏi/bài tập chương 1/ Cấu t o chung sợi quang cách phân lo i sợi quang sử dụng viễn thông ? 2/ Khẩu độ s sợi quang ? Giữa độ s sợi SI sợi GI có khác biệt ? 3/ Thế mode ánh sáng ? S lượng mode truyền dẫn sợi quang phụ thuộc vào yếu t nào? Khi sợi quang truyền mode ? 4/ Quá trình truyền ánh sáng sợi đa mode chiết suất bậc có khác biệt với q trình truyền ánh sáng sợi đa mode chiết suất biến đổi? 5/ T i chế t o sợi quang đơn mode, giá trị V sợi thư ng lựa chọn kho ng – 2,4? 6/ Trong sợi quang có nguyên nhân gây suy hao? Phổ suy hao sợi quang thủy tinh có đặc điểm gì? 7/ Suy hao u n cong sợi quang h n chế cách gì? 8/ Tán sắc nh hư ng lên tín hiệu lan truền sợi quang ? 9/ T i sợi MM-GI có tán sắc mode nh so với sợi MM-SI? Sợi MM-GI thư ng có mặt cắt chiết suất để tán sắc mode nh nhất? 10/ Trong sợi quang đơn mode có lo i tán sắc nào? Để gi m nh hư ng lo i tán sắc có biện pháp gì? 11/ Đặc tính tán sắc sợi quang dịch tán sắc DSF, sợi quang bù tán sắc DCF sợi quang tán sắc phẳng có khác đặc tính tán sắc sợi đơn mode chuẩn ? 12/ Chứng minh xung Gauss chirp tần bị nén xung ban đầu sợi đơn mode 2C < Hãy xác định biểu thức độ rộng xung nh chiều dài sợi tương ứng 13/Hiệu ứng phi tuyến SPM sợi quang có nh hư ng xấu hay t t lên tín hiệu lan truyền ? 14/ Cho sợi quang có đư ng kính lõi 50 µm ho t động t i bước sóng 850 nm Biết sợi có độ lệch chiết suất 2% với chiết suất lớp v n2 = 1,45 a/ Hãy tính s lượng mode sợi gi sử sợi có mặt cắt chiết suất bậc b/ Hãy tính s lượng mode sợi gi sử sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ s mặt cắt chiết suất  = 86 c/ Hãy tính s lượng mode sợi gi sử sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ s mặt cắt chiết suất  = 2,5 15/ Hãy xác định mức độ dãn xung gây b i tán sắc mode sợi cho tập 13 16/ Cho sợi quang đơn mode có độ lệch chiết suất 0,2% với chiết suất lõi n1 = 1,474 Hãy xác định đư ng kính sợi quang biết sợi ho t động đơn mode t i bước sóng lớn µm 17/ Hãy tính t c độ bít giới h n cho tuyến sợi quang đơn mode 50 km t i bước sóng 1,3 1,55 m có xung đầu vào bị giới h n khai triển với độ rộng FWHM 100 ps Gi sử 2 = -20 ps2/km 3 = 0,1 ps3/km t i bước sóng 1,3 1,55 m tương ứng (Cũng gi sử V