Bài Tập Lớn Môn Học Kỹ Thuật Thông Tin Quang.pdf

Trên cơ sở này mà sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ như theo vật liệu chế tạo sợi quang, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi sợi... Tron

TRUONG DAI HOC GIAO THONG VAN TAI

KHOA DIEN - DIEN TU

o0o

Bài tập lớn môn học

Kỹ Thuật Thông Tin Quang

Giảng viên hướng dẫn: Th§ Phạm Hồng Quân Đề tài : Tìm hiểu sợi quang

Sinh viên thực hiện: Nhóm 6 - ĐTVT2 -K62 : - Đặng Thành Đạt _211403179 -Trần Văn

MUC LUC

PHAN 1 CAC CAU TRÚC CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG

1.1 CÂU TẠO SỢI QUANG

1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG 1.3 VAT LIEU CHẾ TẠO SỢI QUANG

PHAN 2 SU LAN TRUYEN ANH SÁNG TRONG SỢI QUANG

2.1 PHUONG PHAP QUANG HINH HOC (GEOMETRICAL - OPTICALS - DESCRIPTION) 2.2 PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC SONG

3.1 SUY HAO TRONG TRUYÈN DẪN CỦA SỢI QUANG 3.2 DAc TINH TAN SAc CUA SOI QUANG

3.3 TAN SAC VAT LIEU

3.4 TAN SAC MODE PHAN CUC

3.5 DAC TINH CO HOC CUA SOI QUANG

4,1 QUY TRINH CHE TAO SQI TRUYEN THONG

4,2 QUY TRINH CHE TAO SQI QUANG APVD

PHAN 6 MOT SO PHƯƠNG PHÁP ĐO SỢI QUANG

6,1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SUY HAO SỢI QUANG

6.2 ĐO TÁN XẠ GIẢI THÔNG CỦA SỢI QUANG

Bang 1-1 Liệt kê các kiếu phân loại SỢI QHđHE à H222 12122212221 ye 9 18 5Ne 1 08000000066 12 PHAN 2 SU LAN TRUYEN ANH SÁNG TRONG SỢI QUANG 16

THình 2-1 Sự lan truyền ánh sáng trong sợi ŠĨ Hình 2-2 Ảnh hưởng của tham sỐ mặt cắt tới tản xạ va tich sé BL s Hinh 2-3 Sur lan truyén song dién tit rong 80% ốố

THình 3-1 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi quang đi với các cơ chế suy hao se 29 Hình 3-2 Suy hao bên trong sợi QUOT, oo HH Hhhhthhhhhhhhhhhhrhke .32 Hình 3-3 Hiện tượng suy hao do trốn cong vĩ mô (a) và uốn cong vì mô (B) à SH 33 Hình 3-4 Suy hao uốn cong ơ bước sóng 1300 nm trên sơi đon mode (4), Suy tăng suy hao theo uốn cong và tiến cong trên sơi ẩa modẽ (b) s1 1122212122122 212gr b Uấn cong vỉ mô (Microbending L0sSS) án 212212 111211222222121122222162222222 xe Hình 3-6 Suy hao và độ rồng băng của soi GI (50 pm/125 BIN oc ccc cece eee teee ee eteneeenteteee Hinh 3-7 Biéu dé phé suy hao ctta mét soi quang Gon mode c cccccccccccssccssscevscevsesssesvvsesssessevseessssesssessseeees FHiinh 3-8 Sur din xung do tan x0 SO 0c à à Qà 2n HH HT HH Hs H11 115111111 14121111 2H H cà, D20 j7 na g6 N0 THình 3-10 Hiện tượng tách xung ánh sáng khi truyền qua môi truờng luỡng chiết - Hình 3-11 Mẫu giả định VE VEL NUL HrÊn Sợ Sàn H2 2122222 HH2 xa

Hinh 4-1 Quy trinh lắng dong hơi nuớc bên trong [TÚ] s22 re g2 51 8 6.84, 0.0i 0.8 00i001an.a Ả.AẢ.Ả.Ả 52 Hình 4-3 Quy trình tao lớp boc Plasma [10 fuo.cc.cccccccceccc cece cece eee ce eect cette te cee eect tee eaten ee eeeeetneeneee 54

Tình 4-4 Quy trinh tạo kiểu dáng sợi [10] à s21 212121222222 sye 56

Hình 5-1 Một số vỏ bọc chặt khác cesses cesses essncncescntvusssnsesesnstvasinasiseesssatitasssnsssesssen 58

Hình 5-3 Minh họa độ dài thêm trong COU 7-EERRRERERERERER 61 Hình 5-4 So sánh FlexTube TM với bọc lòng cesocec cose ee ee eevee teen vee tote te te eeenteaseeteseetaeticaneesetee 61 Bảng 5-1 Các đặc tỉnh của vật liệu dẻo lầm lỗi à Tà S21 HH H1 H1 H121 11121221 212 63

Đảng 5-2 Các đặc điểm của vật liệu thành phẩH à H222 22211 rya 66

Hình 5-6 Cáp tư treo ADSS ngoài trời “- Hình 5-7 Cáp treo trong nhà và Cđp HHảy à Sà Bà SH SnS 121111111111 1211211111151 112111111111 11111 H1 HH Hà, 69

THình 1-37 Xác định chỗ ait bang cach ding OTDR do tit hai phic ccc nmaa Ả Ô 83 Hinh 1-38 Suy hao cua mỗi hàn và khớp HỖi S222 22212 xe 84 Tình 1-39 Suy hao của mỗi han do theo hai ChiỂM S212 211gr ra 85

Hình 1-40 Nguyên by do Adpp HE XHHR Là Q Qà Q TT HH HH1 H111 1151122141201 H11 a, 86 Hinh 1-41 So dé khéi hệ thông do đáp ưng xung

Hình 1-42 Nguyên lý phương pháp quét tấn số .90

Tình 1-43 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tẫn số àà SH 1221222222122 xa 92 KET LUAN

LOI NOI DAU

Xã hội và kinh tế ngày càng phát trién thi nhu cầu của con người về thông tin liên lạc ngày cảng cao, đặc biệt với xu thế hội nhập và toàn cầu hóa thì nhu cầu về thông tin liên lạc trờ nên vô cùng quan trọng Trước nhu cầu phát triển không ngừng của các

loại hình địch vụ đòi hỏi các hệ thống thông tin phải đáp ứng được những yêu cầu về

dung lượng, tốc độ truyền dẫn, cự ly thông tin cũng như chất lương Các hệ thống thông tin sợi quang đã, đang và sẽ đáp ứng được tốt các yêu cầu này, chính vi vậy các hệ thống thông tin quang đã trờ thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên thế giới cũng như tại Việt Nam Báo cáo này là tìm hiệu về sợi quang

Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin quang nào Sợi quang không những đáp ứng được yêu cầu về tốc độ, độ rộng băng tần và cự ly truyền dẫn mà nó còn có khả năng cung cấp một chất lượng truyền tín hiệu tuyệt hảo, với tính bảo mật thông tin rất Cao

Báo cáo gồm 7 phân: Phần L: Các cấu trúc cơ bản của sợi quang Phan 2: Sy lan truyền ánh sáng trong sợi quang Phần 3: Các đặc tính cơ bản của sợi quang Phần 4: Công nghệ chế tạo sợi quang Phần 5: Cáp sợi quang

Phân 6: Một số phương pháp đo sợi quang

Phần 7: Tổng kết

Soi Quang Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin quang nào Sợi quang không những đáp ứng được yêu cầu về tốc độ, độ rộng băng tần và cự ly truyền dẫn mà nó còn có khả năng cung cấp một chất lượng truyền tín hiệu tuyệt hảo, với tính bảo mật thông tin rất Cao

PHAN 1 CAC CAU TRUC CO BAN CUA SQI QUANG

Thanh phan chinh cua soi quang g6m 161 (core) dân quang có chiết suât n, đường kính là đ,=24 và lớp vỏ (cladding) cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột có chiết suất là n2 có đường kính là dm Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tính Lõi đề dẫn ánh sáng và lớp bọc đề giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc

Hình I-I Cầu trúc sợi quang Với n,,n,,d,đ„ được gọi là tham số cấu trúc, chúng quyết định đặc tính truyền dân của sợi quang

Độ lệch chiết suất là:

Dé bao vé soi quang, tranh nhiéu tac dung do diéu kién bén ngoai soi quang con được bọc thêm một vài lớp nữa:

Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhat (primary coating) Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang: Chống lại sự xâm nhập của hơi nước Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Tăng độ mềm uốn cơ học của sợi quang Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc đề loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thê xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ Lớp phủ có thể được nhuộm mâu hoặc có thêm vòng đánh dau, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tây sạch lớp phủ Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hường đến chất lượng của sợi quang

Lớp vỏ có tác dụng tắng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau:

Dạng ống đệm lỏng (Loose buffr) Dang dém khit (tight buffer) Dang bang det (Ribbon) Mỗi dang có những wu nhuoc diém khac nhau do đó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau

Tuy theo yêu câu sử dụng khác nhau mà sợi quang được sản xuât theo các kỹ thuật khác nhau với các đặc tính khác nhau Trên cơ sở này mà sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ như theo vật liệu chế tạo sợi quang, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi sợi

Trong thực tế người ta thường chia sợi quang thành những loại sau: Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI-MM (Step Index-Multi mode) Soi da mode chiét suất biến đôi GI-MMI (Grandien Index-Multi Mode) Soi don mode SI-SM (Step Index - Single Mode)

Phân loại theo vật liệu điện môi Ở vật liệu điện môi thì có 3 loại sợi: Loại sợi bao gồm phần lớn thuỷ tính thạch anh: nó không chỉ chứa thạch anh nguyên

chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như ¿,B, và F để làm thay đôi chiết

suất khúc xạ Loại sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là soda lime, thuỷ tỉnh hoặc thuỷ tỉnh boro_ silicat,

Loại sợi quang thuỷ tỉnh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phâm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền đẫn ôn định trong thời gian đài Bang 1-1, Liét ké các kiêu phân loại sợi quang

- Sợi quang thạch anh

Phân loại theo vật liệu

- Sợi quang thuy tinh đa vật liệu

og - Soi quang chiét suất nhảy bậc (step index-S])

- Soi quang chiệt suât biên đôi (grandien Index-GI)

Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạa Các sợi quang có thể tạm phân loại thành 2 nhóm theo phân bố chì số khúc xạ của lõi sợi Một loại gọi là sợi quang chiết suất phân bậc (SI) Loại thứ hai gọi là sợi quang chiết suất biến đôi (GI)

Loại sợi quang SI: Nói chung chỉ dùng để chỉ sợi quang đa mode mà nó có chiết suất thay đổi một cách rõ ràng giữa lõi và vỏ

Loai sợi quang GI: Sợi quang được làm theo cấu trúc đặc biệt để truyền ánh sáng nhiều mode Chiết suất khúc xạ của lõi biến đổi một cách dần dần theo hướng đường kính sợi Hay ánh sáng ở mode cao hơn sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong phần lõi có chiết suất phản xạ thấp

Phân loại theo mode lan truyền Căn cứ vào sô mode truyên dân trong sợi, tất cả các sợi quang được nhóm thành hai nhóm:

Loai so da mode: Là loại sợi chiết suất phân bậc, có đường kính lõi vào khoảng 100—200um và sợi chiết suất Gradiant với đường kính lõi sợi vao khoang 50pm và 62.5um Hiện tại sợi quang đa mode vẫn được sử dụng trong các ứng dụng như thiết bị, hoặc dùng làm cáp cho mạng LAN Ưu điểm của loại sợi này như đã nghiên cứu ở trên là khẩu độ số lớn thuận tiện cho truyền dẫn nhiều băng tần truyền dẫn Và như vậy sẽ làm đơn giản các thiết bị và phát huy lợi nhuận tối đa Tuy nhiên, do sự trễ về thời gian giữa các mode truyền dẫn, xung ánh sáng sẽ lan rộng tương ứng khi độ dài sợi tăng, và sẽ gây ra giới hạn về băng tần truyền dẫn

Loại sợi đơn mode: Trong sợi đơn mode, đường kính lõi sợi sẽ được giảm nhỏ cho đến khi chỉ có duy nhất một mode truyền trên sợi quang Kích thước vật lý của sợi đơn mode vào khoảng đưới 10m, đây cũng là kích thước để một mode truyền trong nó được bảo đảm là tối ưu Tuy nhiên cần phải chú ý rằng sợi đơn mode sẽ là sợi đơn mode khi và chỉ khi bước sóng của xung ánh sáng À lớn hơnÀ.:

10

27ra A= Vvm—n;

_ 2,405 (1-3)

Với À, là bước sóng cắt (cutoff wavelenpth) a Sợi có tán sắc không địch chuyên (Non-zero dispersion shifted fibers NZ-DSF)

Sợi đơn mode hiện nay không nhất thiết cần phải có chỉ số chiết suất bậc Thay đổi chỉ số chiết suất của sợi trong một quá trình công nghệ tỉnh vi phức tạp, các đặc tính truyền dẫn của sợi có thế thay đôi rõ rệt Thay đôi chỉ số chiết suất khúc xạ sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến tán sắc ông dẫn sóng (Waveguide dispersions) một phần của tán xạ mâu sắc (Chromatic đispersion) mà ta sẽ nghiên cứu sau Thông thường, các sợi đơn mode dưới đây sẽ có tân xạ mâu sắc băng không

b Sợi đơn Mode tiêu chuan (Standard Single Mode Fiber - SSMF, theo khuyén nghi

G650, G652)

Loại sợi này được chê tạo đê có tán xạ mâu sắc băng không tại bước sóng 1300nm ví dụ đối với các soi quang do Alcatel ché tạo thi day 1a soi ASMF 200 c Soi don mode cé tan sac dich chuyén (Dispersion Shifted Fiber DSF, theo khuyén nghị G655)

Đôi với loại sợi này, tân sắc Ong dan song sẽ được thay đôi trên đường di cua tia sáng đề có tán xạ mâu sắc bằng không tại bước sóng 1550 nm,

d Sợi đơn mode có tán sắc không dịch chuyên (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber,

NZ-DSF, theo khuyến nghị G55)

Về cơ bản, nguyên lý truyền dẫn của loại sợi này cũng giống như sợi DSF Nhưng tán xạ mẫu sắc sẽ không bằng không tại bước sóng 1550 nm Nó sẽ có tán xạ mẫu sắc bằng không tại bước sóng ¿1440 nm Trong sợi do Alcatel chế tạo đây là sợi TeraLightTM

11

Kiểu Sợt Chiết suất bậc | Chiết suất Graaiart | Chiết suất bâc

9ự Lan truyển ánh (a

ChỈ số khúc xa | ne 1.527, net 517 | mw 1.562, newiS4 | nel47i, n^148/

Khẩu 4ô sấ 0.2 đến O4 O 14 đấn O 2 O1 đấn O14

Hinh 1-2 Cac kiéu soi quang Ngày nay, trong sự tiên bộ vượt bậc của khả năng truyện dân và sự xuât hiện của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng mới (Ghép kênh quang theo bước sóng voi mat dé day - Dense Wavelength Division Multiplexing- DWDM) Thi chi có hai trong số các sợi quang kê trên có thê được lựa chọn

Hoặc sợi đơn Mode thông thường phối hợp với sợi bù tán sắc (Dispersion Compensation Fiber- DCF), hoac 1a sợi có tán sắc không dịch chuyên NZ-DSEF có thể được chọn Bởi các thông số cơ bản của chúng có hiệu quả trong một vùng lớn cả điểm tán xạ mẫu và vùng xung quanh tán xạ này Cả hai giải pháp này đều phù hợp cho công nghệ ghép kênh quang DWDM với khoảng cách giữa các kênh ghép là rất nhỏ với tốc độ truyền dẫn lớn trong một đường truyền rất dài

1.3 Vật liệu chế tạo sợi quang

Trong quá trình lựa chọn vật liệu chê tạo sợi quang, vật liệu đó cân phải thoả mãn các yêu cau sau:

Đảm bảo tạo được các sợi quang dai, manh va mém déo

12

Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các bước sóng làm việc thông dụng (1300,1550 nm) tao cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao

Các vật liệu chế tạo ra lõi, vỏ của sợi phải có bản chất vật lý tương thích để tạo ra sự

chênh lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ là khá nhỏ

Tổng hợp các yêu cầu trên, người ta thấy răng trong tất cả các loại vật liệu từ trước đến bây giờ con người đã tạo được, thuỷ tỉnh và chất đẻo trong suốt là vật liệu phủ hợp nhất Các loại sợi được chế tạo có lõi là thuỷ tính có suy hao lớn thì dùng cho các tuyến truyền dẫn có cự ly ngắn, tốc độ thấp còn sợi chế tạo từ thuỷ tính có suy hao nhỏ thì dùng rộng rãi trong các tuyến có tự ly xa, tốc độ cao và các hệ thông thông tin quang tiên tiễn Các loại sợi băng chất dẻo ít được sử dụng vì có suy hao lớn hơn thuỷ tinh, nó chỉ dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi có tác động cơ học mạnh, nơi mả yếu tố chất lượng truyền dẫn không phải đặt lên hàng đầu

Soi thiy tinh Thuỷ tỉnh được tạo từ các hỗn hợp Oxit kim loại nóng chảy, Sulñde hoặc Selenide Chung tao ra một vật liệu có cầu trúc một mạng phân tử liên kết hỗn hợp Loại thuỷ tính trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thuỷ tính oxit Trong đó

Dioxit Silic (SiO, | là loại oxit thông dụng nhất đẻ tạo ra sợi Nó có chỉ số chiết suất tại

bước sỏng 850 nm là 1,458 Đề tạo ra hai loại vật liệu gan giống nhau làm lõi và vỏ phản xạ của sợi, nghĩa là chỉ số chiết suất hơi lệch nhau, người ta phải thêm vào hàm lượng Flo và các oxIt khác nhau như B;O,, GeO; và P;O, Nếu muốn tăng chỉ số chiết

suất thì thêm P;O; và GeO; vào SƠ; còn nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thì thêm

B,O; vào sợi đẫn quang có chiết suất lõi lớn hơn vỏ (đảm bảo phản xạ toàn phần) Vậy ta có thể thay duoc hén hợp vật liệu tạo ra các sợi như sau:

Soi c6 16i GeO, - SiO, va v6 phan xa SiO,

Sợi có lõi P,O: - SiO; và vỏ phản xạ SiO,

Sợi có lõi B,O;—GeO,—SïO; và vỏ phan xa = B,O,—SiO,

Soi co 16i SiO, va vo phan xa_B,O,—SiO,

13

Trong thực tế vật liệu thô của Sỉ; chính là cát, một nguồn tài nguyên sẵn có Thuy tinh chế từ SỉO; có đặc điểm quan trọng là biến dạng tại nhiệt độ khoảng 1000°C

rất ít bị nở khi nhiệt độ tăng, tính bền vững hoá học cao Rất trong suốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy (vùng hồng ngoại) do vậy rất thích hợp cho thông tin quang sợi Tuy nhiên chúng có nhược điểm là cần công nghệ cao để chê tạo

Soi thủy tỉnh Halogen Năm 1975, các nhà nghiên cứu tại trường đại học tổng hợp Rennes da phat minh ra loại thuỷ tính Fluoride có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng bước sóng giữa

hồng ngoại (200+8000 nm), va suy hao thap nhất ở vào khoảng quanh bước sóng

2250 nm Thuy tinh Fluoride la thuỷ tỉnh thuộc họ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoàn đó là Flo, Clo, Brom, Iot Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tập trung vào phân tích các vật liệu thuy tinh Fluoride kim loại nặng trong

đó chủ yếu chứa các thành phần ZrF,, Đề hoàn chỉnh người ta còn thêm vào các vật

liệu có tính chất kết tỉnh Trong tất cả các loại nảy, hứa hẹn nhất là sợi có cấu trúc từ ZrF,—BaF, —LaF;— AlF,— NaF gọi là sợi ZBLAN

Soi thity tinh tích cực Những kết quả nghiên cứu của những nhà khoa học về sợi dẫn quang cho ra các đặc tính từ và quang mới là việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thuỷ tính thụ động bình thường Đặc tính này cho phép các sợi thuy tính có thế khuếch đại, suy hao và làm trễ pha tín hiệu ánh sáng trong truyền dẫn quang, quá trình pha tạp ở đây có thé tiên hành ở ca soi Silic lan soi Halogen

Cac loai soi v6 chat déo Phần trên ta đã xem xét cấu tạo của các loại sợi có vỏ và lôi đều là thuỷ tính những sợi nảy là yếu tố quan trọng trong những tuyến thông tin quang cự ly dai va tốc

độ lớn

Đôi với những cự ly ngăn (vài trắm mét) người ta sử dụng các loại sợi có vỏ chất dẻo nhằm giảm chỉ phí, vì cự ly này cho phép sử dụng các loại sợi có suy hao lớn

14

Soi nay con được gọi là sợi thuỷ tính vỏ chất dẻo PCS (Plastic - Clad- Silica), vỏ

thường chế tạo từ hợp chất polimer có chiết suất nhỏ hơn chiết suât lõi SỉO;

Giá trị chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại bước sóng 850 nm, nhựa Silicon sẽ thoả mãn không những thế nhựa Silicon còn tham gia tạo vỏ bảo vệ sợi quang Thông thường sợi thuỷ tính vỏ phản xạ là chất dẻo là loại chỉ tồn tại ở dạng sợi có chiết suất

phân bậc, chúng lại có đường kính lõi khá lớn (150 +600_m) Soi chat déo

Là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và vỏ phản xạ đều bằng chất dẻo Loại sợi này chỉ đáp ứng được cự ly truyền dẫn không quá 100m vì suy hao rất lớn Sợi này ngày nay hầu như không được sử dụng

15

PHAN 2 SỰ LAN TRUYEN ANH SANG TRONG SOI QUANG

Sợi quang không phải là một kênh truyền lí tuởng Do chịu ảnh hưởng của các qui luật lan truyền sóng ánh sáng trong các sợi dẫn sóng điện môi, nên ánh sáng lan truyền bị suy giảm dân, và tín hiệu ánh sáng bị biến đạng

Có hai phương pháp đề nghiên cứu về quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang đó là: ¡ ) phương pháp quang hình học (Geometrical-Opticals-Ieseription), ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, trực quan đễ hiểu; và ii) phương pháp quang học sóng (Wave Propagation), phương pháp này sẽ cho ta hiểu một cách sâu sắc hơn về quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

2.1 Phương pháp quang hình học (Geometrical - Op(icals - Description) Tuy rằng phương pháp này chỉ mang tính chất gần đúng nhưng ưu điểm của nó là cung cấp cho chúng ta một hình ảnh tổng quát, mà không phải ứng dụng các phương pháp toán học phức tạp

Trong sợi quang có chỉ số chiết suất nháy bậc (Step - Index Fibers) Chiết suât của vỏ '; nhỏ hơn chiết suât của ruột ? một khoảng 1% Các tia sáng từ nguồn bức xạ đưa vào sợi quang phải đi qua môi trường không khí có chiết suất nx= 1 rồi vào ruột sợi có chiết suất "¡ lớn hơn nx,vì thế khi đi qua mặt cắt đầu sợi các tỉa sẽ bị khúc xạ

Chùm ánh sáng đi vào sợi là vô số tỉa với các góc tới Ø khác nhau Trong sợi có một tia chạy song song với trục quang của sợi (tia L), và nhiều tia khác tạo với trục quang một góc nghiêng đa.,khi tới mặt phân cách vỏ - ruột các tia này tạo với pháp tuyến của mặt phân cách một góc tới #; thoả mãn điều kiện:

Hinh 2-1, Su lan truyén anh sáng trong sợi SĨ ¬ ; Dé cac tia nay lan truyén được trong soi dén dau cudi soi thi tai mat phan cách vỏ - ruột phải thoả mãn điều kiện về phản xạ toàn phần Góc tới hạn để có phản xạ toàn phần la a, duge tinh theo (1-3)

Tương ứng với góc tới hạn #; có góc nghiêng lớn nhất cho phép của các tỉa so với trục quang là Œ am :

n„sinổ,„„=n;, sind, -

(2—8)

17

Do không khí có n„=1 nên: SỈn0,„=n,sin đ„„„„=n,C0Sđ;

sinØ„„n, |1—sinˆøy Với n;#n; tính gan dung ta có:

- 2 2\ 12 :

SiN Bnax= | ny r| —Hị6

é Trong đó: A= in,—n,|/n, là độ lệch chiết suất tương đối của sợi Đề đặc trưng cho khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi người ta định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho sợi là khâu độ số (độ mở) NA:

CL v=—= const

n

Tia chạy song song với trục tương ứng với tia có góc Ø;=0 có đoạn đường ngắn nhất, nên cần thời gian là ít nhất, còn tia đạt tới giới hạn phản xạ toàn phần tương ứng với tia có góc 0<0,<0,„„ thì đường đi có độ dài là L/sinø; và thời gian truyền của các tia này là dài hơn

Độ lệch thời gian lớn nhất giữa hai tia được tính theo:

Do đó độ lệch thời gian lớn nhất trên một km sợi là:

AT ny Ani

Losec Từ biểu thức (1-10) ta có:

L — 2cns (2-12) Theo (1-12), độ lệch thời gian giữa các tia thành phần tỉ lệ thuận với khẩu độ số

NA, cho nên với sợi SĨ có góc mở lớn thì có độ lệch thời gian lớn Do vậy nó cũng là một nguyên nhân làm hạn chế độ rộng băng thông và tốc độ truyền dẫn Nên tuỳ vào yêu cầu thực tế mà ta lựa chọn NA cho thích hợp

Chúng ta có thé hiéu độ lệch thời gian AT có thể hạn chế dung lượng thông tin

trên sợi quang thông qua mối quan hệ giữa AT và tốc độ bít B Chăng hạn khi ta xét hình dạng của các xung, thì muốn đảm bảo được chất lượng truyền dẫn thì AT phải nhỏ hơn độ rộng của một xung là T;|T;=1/B|,

Do vay ma: AT,<1

Thay biéu thtte (1-11) vao (" ' ta cé:

hc

BL<-}>— nA

(2-13)

Ta thay tích số độ rộng băng và cự li truyền dẫn (BL), nó thể hiện được năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có độ lệch thời gian giữa các tia sáng truyền trong nó Điều kiện (1-13) cho phép chúng ta tính được một cách sơ bộ giới hạn cơ bản của sợi quang có chỉ sô chiết suât nhảy bậc

Ví dụ với loại sợi có m=1,5 và n;=1 thì tích số băng thông và cự lí truyền dẫn của sợi quang này là tương đối nhỏ _BL<0,4( MbitÍs— Km)

19

Do vậy, hầu hết các loại sợi quang ứng dụng trong viễn thông đều có A<1% Vi

dụ như muốn có BL<100 Mbit/s— Km thì A=2 x10, những sợi như vậy co thé truyền đữ liệu ở tốc độ bít 10 Mbit/ s qua một khoảng cách lên tới 10 Km,

Khi nghiên cứu giá trị tích số băng thông và cự li truyền dan (1-13), có hai điểm đáng chú ý

Thứ nhất: gia tri nay chi có thé dat duoc néu chúng ta chỉ xem xét những tia xuyên qua tâm sợi sau mỗi lần phản xạ bên trong Những tia như vậy gọi là tia kinh tuyến Ngoài ra còn các tia nghiêng lan truyền trong sợi Các tia này là tia không đi qua trục sợi, và qua phản xạ nhiều lần chúng có xu hướng tiến gần đến một hình tròn giới hạn ở quanh tâm sợi Và cũng không nằm trên một mặt phăng như các tia kinh tuyến, chúng để bị suy hao do uốn cong

Thứ hai: do su tan xa trong sợi quang nên các tia kinh tuyến đi chếch so với trục quang của sợi cũng bị suy hao lớn hơn các tia kinh tuyến đi dọc bên trục quang

Như vậy biểu thức giới hạn (1-13) chỉ mang tính chất tương đối Các ảnh hưởng

của tân xạ sẽ được giảm một cách dang kê khi chúng ta dùng sợi có chỉ số chiết suất biến đổi Và nó có thể bị triệt tiêu khi chúng ta dùng sợi đơn mode

Trong sợi quang có chiết suất biến đổi (Grade - Index Fiber) Đặc điểm của sợi là chiết suất trong ruột sợi thay đổi theo bán kính, còn trong vỏ thì chiết suất không đổi Trong ruột sợi chiết suất giảm dẫn từ giá trị lớn nhất nạ ở tâm sợi cho đến giá trị nhỏ nhất bằng n; tại mặt phân cách vỏ - ruột, và là một hàm số của bán kính r hoặc tỷ sô r/a

Có thê việt biêu thức của sự biên thiên của chiết suất như sau:

20

Ham sé f(r/a) là thể hiện sự biến thiên của chiết suất khi bán kính sợi (xét trên mặt cắt ngang) biến thiên, do đó được gọi là hàm số mặt cắt

Hàm số mặt cắt ƒ (r/a) phải thoả mãn điều kiện:

0<f(r1a)<1 (2—16) Thực tế hàm ƒ (r/a) biến thiên theo quy luật của một hàm mũ

f(rla)=¿

Ẻ gđược gọi là tham số mặt cắt Sợi GI có tham số ø thoả mãn điều kiện 1<g<3 thì có độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất, đặc biệt với g2 Do vậy, các sợi quang GŒI sử dụng trong viễn thông đều được chọn là sợi có g=2, Lic nay ham f (r/a) biến thiên theo hàm số parabol, nên đôi khi còn gọi sợi GI có g=2 là sợi có chiết suất parabol Do chiết suất trong ruột sợi biến thiên, nên vận tốc truyền ánh sáng trong ruột sợi không phải là hăng số mà cũng là một hàm biến thiên theo bán kính r

V=c/n,=c/n,(r)=v(r) (2-18)

21

Tham số mặt cắt chiết suất g

Hình 2-2 Ảnh hưởng của tham số mặt cắt tới tán xạ và tích số BL Vị vậy, trừ tia song song với trục, các tia còn lại tia nào càng ổi xa trục chiết suất càng giảm, thì sẽ có vận tốc lan truyền lớn hơn, thay vì chạy theo các đường dích dắc như trong sợi SI thì ở sợi GI này các tia chạy theo các đường có dạng hình sóng

Theo phương pháp quang hình thì ở đây không thể quan sát được các tia nghiêng mà chỉ có thể quan sát và nghiên cứu được các tia kinh tuyến

Góc mở lớn nhất của sợi GI khác với sợi SI và được tính theo công thức:

sinØ„„ nạ v2Av1—¿¿

é

Cac tia sang đưa vào sợi cũng trong phạm vi một hình nón có nữa góc mở 8,,,,,

thế nhưng giá tri 9 no lai thay déi theo bán kính r Nếu đỉnh hình nón năm ding vao truc soi (r/a=0) thi đạt giá trị bằng của sợi GI

và bằng:

sin0„„=n v2A=n, v2A=NA

(1—20)

22

Khi đỉnh hình nón dịch chuyên dẫn ra phía ngoài về phía mặt vỏ ruột thì đề cho

các tia không xuyên qua mặt phân cách này đi vào lớp vỏ thì Ø„„ phải giảm đi Qua xem xét các tia như trên hình 1-5 Ta có nhận xét như sau:

Tia dọc trục có đường đi ngắn nhất, nhưng vì có n(r)=ny=é max nên có tốc độ nhỏ

lệch thời gian truyền dẫn là nhỏ nhất

Tham số mặt cắt tối ưu cho bời công thức sau:

2A

đopr=2—~2P— 5

(2—21)

Với P là tham số tán xạ mặt cắt, rất nhỏ Khi sợi có giá trị g=¿ đonzr thì độ lệch

thời gian lớn nhất trên một km giảm nhỏ và đạt giá trị:

AE ny 4?

L cB (2-22)

Khi giá trị g lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị của Øoprthì độ lệch thời gian truyền dẫn này lại tăng rất nhanh

Nếu gọi B là độ rộng băng thông truyền dẫn của sợi Thi ta có:

AT„„<1/B

Từ (1-22) ta tính được giới hạn của tích số băng thông truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn của sợi quang GI là:

23

2.2 Phuong phap quang hoc song Trong phân này chúng ta sẽ tìm hiệu sự lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang bằng việc sử đụng các phương trình Maxwell Việc phân tích các vấn đề xung quanh các phương trình Maxwell đối với ranh giới lõi và sợi là cần thiết đề ta có thé hiểu một cách chỉ tiết quá trình truyền tín hiệu quang trong sợi đẫn quang

Cac phuong trinh Maxwell Với một môi trường điện môi đẳng hướng, tuyến tính, không có dòng điện các phương trình này có dạng:

Ở đây E và I tương ứng là các véc tơ trường điện và trường từ, còn D và B là các mật độ thông lượng tương ứng Các mật độ thông lượng có liên quan với các véc tơ trường như sau:

D=cE+P

(2-28)

B=uH+M

(2-29)

Trong đó £ là hằng số điện môi và # là độ từ thâm của môi trường chân không,

còn P và M tương ứng là các phân cực điện và từ Đối với sợi quang thì M=0 vì bản

chất của thuỷ tính là không nhiễm từ

24

Việc xác định các hiện tượng về trường điện từ có thê nhận được từ các phương

OE x (2-32) Tương tự:

E= Ea(r,ø)ef! cot Ba)

( 2-34) H=H,(r, geo ™

(2-35)

Đây là các hàm điều hoà theo thời gian t trong tọa độ z Tham số 8 thuộc thành phần Z cua véc to truyén lan và được xác định nhờ các điều kiện biên trên trường điện từ tại ranh giới phân cách lõi và vỏ của sợi Khi thay thế các phương trình (1-34) và (1- 35) vào các phương trình dạng xoắn của Maxwell, từ phương trình (1-8) ta có:

25

Tiến hành rút các biến số, có thê viết lại các phương trình này, chăng hạn như là

khi biết E, và H, thì các thành phần ngang E, E„,H,,H, có thê được xác định Ví dụ

có thê rút E¿ hoặc H, tương ứng từ các dạng E, hoặc H, Như vậy ta thu được:

26

" g or 1 OG,

(1-44) j/B OH, OF

(1-45) V6i =a" eu— B’=k°—B Thế vào các phương trình (1-28), (1-29) vào phương trình (1-30) sẽ có kết quả

về phương trình dạng sóng trong toạ độ trụ như sau:

OE, ,1ÔE, 10 F,

TT

(1-46)

và thế các phương trinh (1-26), (1-27) vao phuong trinh (1-22) ta có:

chọn tuỳ ý miễn là chúng thoả mãn các phương trình (1-30), (1-31) Tuy nhiên E, và

H, phải thoả mãn các điều kiện bờ của các thành phần trường điện từ Nếu như các điều kiện bờ không dẫn tới ghép ghép giữa các thành phần trường, thì các giải pháp mode có thể thu được cả E,=0 và H,=0 Khi E,=0 cdc mode sé duoc gọi là các mode

điện ngang hoặc mode TE,khiH,=0 sẽ cho các mode trường ngang hoặc TM Các

mode hybrid sẽ tồn tại nếu cả E, và H, khác không, đó là các mode HE hoặc EH Các mode này tuỳ thuộc vào E, và H,, nếu H, đóng góp lớn hơn vào trường ngang thì ta có mode HE, tương tự ngược lại ta có mode EH

27

28

PHAN 3 CAC DAC TINH CO BAN CUA SOI QUANG

Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rât quan trọng trong việc thiệt kê hệ thông, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang, và sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay các thiết bị xen rẽ kênh v.v ' cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao quang Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thê làm giảm chúng bằng nhiều cách khác nhau Đáng chú ý hơn là suy hao do bàn chất bên trong của sợi Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng bị suy hao, làm cho cường độ tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nao đó

Nguyên nhân suy hao cơ bàn trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán sắc và các suy hao do bức xạ ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu chế tạo sợi trong đó bao gồm hấp thụ đo tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thu điện tử Suy hao do tân xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cầu trúc sợi Cuối cùng, suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra

Hệ số suy hao Công thức tổng quát về sự thay đổi công suất ánh sáng P được truyền trong sợi quang đưa ra bởi luật Beer:

dP /dz=—aP

(1-48)

Với đ là hệ sô suy hao

Nêu P„ là công suât phát vào sợi quang có chiêu dài là L, P„„ là công suất đầu ra thì tử (2—48) ta có:

29

(1-49) Hay @ (aB/km)=—° logo = P P

out in

a Suy hao do hap thu cua tap chat Nhân tô hấp thụ nồi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chất có trong vật liệu sợi Trong thuỳ tính thông thường, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyền tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao như các 1on kim loại sắt, crom, coban, đồng v.v và các lon OH “của nước Sự có mặt của các hợp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nêu sợi quang mà chế tạo như các lăng kính thông thường thì suy hao lên tới vài

nghìn đB/km Các sợi quang trước đây với lượng tạp chất từ I đến 10 phần tỷ (ppb) có

suy hao trong khoảng | dén 10 dB/km

Sự hấp thụ của ion OH““ Sự có mặt của các phần tử nước đã làm cho suy hao trội hắn lên Liên kết OH” đã

hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoáng 2,7 #m, với tác động của Silic nó tạo ra đỉnh hấp

thư ở bước sóng À—=945,1240 và 1380 nm như hình 1-5

30

Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cưa số truyền dẫn 850 nm,

1300 nm, va 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín hiệu ánh sảng

Đề giảm suy hao xuống thấp hơn 20 đB/km, sự có mặt của nước phải thấp hơn vài

phan ty Gia trị này có thể đạt được nhờ chế tạo sợi bằng phương pháp đọng hơi hoá chất bên ngoài (Outside Chemical Vapour Deposition - OCVD) Các phương pháp chế tạo sợi khác cho phép làm giảm thấp hơn nữa hàm lượng nước là phương pháp đọng hoi theo true (Vapour Axial Deposition - VAD), cho phép tao ra sợi có sự tập trung OH “dưới 0,8 ppb Với mức tạp chất này, đường cong suy hao sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và các khe suy hao nữa, kết quả này tạo ra suy hao sợi nhỏ hơn 0,2

thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel

(mi).v.v Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Để có sợi quang có độ suy hao dưới 1 đB/Km cần phải có

thuỷ tỉnh that tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phân ty (10°°)

b Hiện tượng tự hấp thụ (hấp thu do bản thân vật liệu)

31

Do các nguyên tử có cầu tạo vỏ điện tử và do mỗi liên quán giữa năng lượng vì tần số bức xạ quang nên các nguyên tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng Như thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự đo trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất bé, hoặc hầu nhi không có suy hao Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ có hiện tượng cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và bị chuyên hoá thành nhiệt năng, đó là hấp thụ vật liệu Thuỷ tỉnh thạch anh |SỉO;| hiện nay được sư dung để chế tạo sợi quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vưng bước sóng hồng ngoại xa 10+200”m, khá xa vùn bước sóng hiện nay sử dụng cho thông tin quang là từ 0,B+1,6m trong vùng gần hồng ngoại Tuy vậy, đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hường suy hao ờ các bước sóng ở gần bước sóng 1,6um Và từ bước sóng 1,6m trở nên thì suy hao tăng rất nhanh theo bước sóng Ngoài ra, ơ những bước sóng nhỏ hơn 0,8 #m còn có ảnh hường của hiện tượng cộng hưởng hấp thụ cực tím

c Hấp thu cực tím Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các điện tủ trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn, mặc dù đây là dạng hấp thụ vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong nguyên từ, quan điểm này chính xác hơn trong phạm vi phân tử Lúc này bờ cực tím của các dai hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu kết tinh và không kết tỉnh có quan hệ như sau:

Œ„y=Ce”” (1-51)

Công thức trên được đưa ra bởi Urbach, trong đó C và E là các hăng số được cho bời thực tế và E là năng lượng photon Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng ^, cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng Thực tế thi suy hao cực tím nhỏ hơn so với suy hao tán xạ trong vùng gần hồng ngoại Đối với

sợi SỈO; đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14m, tuy nhiên đuôi suy hao của nó kéo

dài khoảng 1m, vì vậy cũng gây ra suy hao nhỏ ở cửa số truyền dẫn Suy hao do tan xa Rayleigh

32

Suy hao do tán xạ trong sợi quang là đo tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây ra Đó là do những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi

Như vậy trong cầu trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mức trung bình Ngoài ra do thuỷ tỉnh được tạo ra từ vải loại oxit như: SiO,,GeO,, và P,O cho nên sự thay đối thành phần vẫn có thê xảy ra Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chi có ý nghĩa với khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cầu tán xạ Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần tư công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làm việc ở bước sóng đài sẽ được quan tâm ngày một nhiều

Đối với thuỷ tĩnh thuần khiết, suy hao tán xạ tại bước sóng À do sự bất ôn định về mật độ gây nên có thê được cho bởi công thức sau:

3

` n— 1 P ky T; Br

(1-52)

Ở đây n là chỉ số chiết suất của lõi soi, ky 1a hang s6 Boltzman, 8; là hệ số nén đắng

nhiệt của vật liệu, T; là nhiệt độ mà tại đó tính bất ôn định về mật độ bị đông lại thành thuy tinh

Đơn vị tính của #„„ là Neper Đề đổi sang đB trong trường hợp tính toán suy hao công suất thì ta nhân giá trị này với 10loge=4,343

Đối với các loại thuỷ tỉnh nhiều thành phần tán xạ này được tính :

thường là không thê biết được, do đó chúng phải được xác định thông qua các số liệu tán xạ thực nghiệm Do tán xạ Rayleiph phụ thuộc theo A ˆ nên nó giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng Nhìn chung giá trị suy hao nay lớn đáng kế ở vùng bước sóng dưới | ham

Kết hợp các suy hao hấp thụ đo tạp chất, hấp thụ vật liệu (trong bước sóng hồng ngoại), hấp thụ điện từ, suy hao tán xạ Rayleigh thu được kết quả như trên hình I-ó

~ 4

5 100 œ =

Suy hao của sợi đa mode thường là cao hơn sợi đơn mode, đó cũng là kết qué cua su tập trung tạp chất cao hơn và kèm theo sự suy hao tán xạ lớn hơn sợi đa mode Suy hao do uon cong soi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không có hữu) Khi bất kì một sợi quang nào đó bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ cé hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi bị suy hao Có hai loại uốn cong là uỗn cong vi mé (Macrobending Losses, va uon cong vi m6 (Microbending Losses)

34

không đáng kê Người ta quy định bán kính uốn cong tối thiêu R„„ là:

2 Rmin= 3.n¡À =

4n | r—n?|

(1-55)

Như vậy chúng ta cần chú ý đến R„„ để không làm tăng suy hao của sợi Thông

thường bán kính tối thiểu do nha dé nghị sản xuất từ 30 nm đến 50 nm,

35

Am - Berd uờng kính uốa cong on cong = (mm a) 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Buớc sóng À (um) b) 5

Hình 3-4 Suy hao uốn cong ơ bước sóng 1300 mm trên sơi đon mode (a) Suy tăng suy hao theo uốn cong và uốn cong trên sơi đa mode (b)

b Uốn cong vi mo (Microbending Losses) Là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này hay xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp Khi sợi bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong khoáng vài nm ) thì suy hao của sợi cũng tăng lên do tia sáng bị lệch trục

Một cách chính xác hơn sự phân bố bị xáo trộn khi qua những chỗ uốn cong vi mô và dân tới một phần năng lượng ánh sáng bị phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi vào lớp vò và bị suy giảm dân theo hàm mũ

Phổ suy hao cia soi quang Tông hợp các loại suy hao trong sợi và biêu diện trong môi tương quan theo bước sóng, người ta nhận được phô suy hao của sợi Môi loại sợi có đặc tính suy hao của nó, nhưng đều thế hiện được những đặc tính suy hao chung như đã phân tích ở trên

a (dB/Km)

6k A

“ —

0.6 0,8 1 12 1,4 1,6 A Gm)

Hình 3-5 Đặc tinh suy hao ctia soi quang SiO, pha hoat chat GeO)

Trên hình I-9 cho thấy đường suy hao mẫu của sợi quang thuỷ tính thạch an] có pha hoạt chất GeO;, với độ tạp chất lon OH “vào khoảng 0,5 phần triệu Từ đã tuyến trên

36

hinh ngwoi ta chon thuy tinh thạch anh cho vùng công tác ở vùng bước són có suy hao nhỏ từ À=0,8 0m đến À=1,7 im, là vùng hồng ngoại gần Một số nhận xi từ đặc tuyến nay như sau:

Ở vùng bước sóng À=1,55"m có suy hao bé nhất Dịch chuyên về phía bước sóng nhỏ hơn thì suy hao tăng đo tán xạ, còn về bước sóng lớn hơn thì suy hao lại tăn đo suy hao tự hấp thụ của vật liệu;

Ở vùng bước sóng từ À=0,9#m đến À=1,55†m có các đỉnh suy hao do cộn hưởng của

suy hao tán xạ Rayleigh Nếu áp dụng công nghệ và phương pháp chế tạ sợi tiên tiến, thì có thế loại trừ đỉnh suy hao do cộng hường hấp thụ ở À=0,95 um;

Ở vùng bước sóng từ À=0,Bum đến À=1/m, suy hao tán xạ là chủ yếu, chỉ có ảnh hưởng một phần của suy hao đo hấp thụ

Khi giảm được hàm lượng OH “thì hạ được giá trị suy hao xuống ở các vùng bước sóng kế trên Chăng hạn nếu giảm OH“xuông đên 0,2 phân triệu thì có thê đạt giá tu suy hao 2,1 dB/Km ở bước sóng À=0,85_m và giá trị suy hao nhỏ hơn 0,2 đB/Km,

Hình 3-6 Suy hao và độ rông băng của sợi GI (50 pm/125pmé,

Trong kỹ thuật thông tin quang dùng sợi thuy tính thạch anh, thì sử dụng ba vùng bước sóng có suy hao bé gọi là ba vùng truyền dẫn hay ba cửa số, nằm giữa các bước sóng

À=0,B+z1,7um,

Vùng truyền dẫn thứ nhất: À=0,8 +0,9”m

37

Giá trị suy hao bé nhất là đ„„=2+3 dB/ Km,

Vùng này bị hạn chế bởi đình suy hao ở A=0,95 ym, mac dù hiện nay không sử dụng loại sợi công tác ở bước sóng này nữa Đây là vùng dành cho các soi da mode SI va GI, dé tng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn với tốc độ truyền dẫn chỉ khoảng vài chục Mbit/s

Ving truyén dan thi hai: A=1+1,3 pm

Thực ra có thê nói ở vùng bước song A=1,3ym, bi gidi han o cdc dinh suy hao 6

A=1,24 ppm va A=1,38pm Tai bude sóng À=1,310trm CO O pig 9,35 dB/Km, va tan xa

vật liệu không còn Do đó sử dụng sợi da mode GI va soi don mode cho cac hé thống truyền dẫn cự li xa với tốc độ hang Gbit/s đi xa hàng mấy chục Km

Ving truyén dan thir ba: A=1,5+1,7 pm

Thực chất là nằm ở vùng À=1,55m, bị giới hạn bời đỉnh suy hao hấp thu 6 A=1,38um và ngưỡng hap thụ cộng huwong tai A=1,6m, Vùng này có suy hao bé ở bước sóng

À=1,55um có thê đạt tớiđ„„=0,16 đB/Km,

EA

0,1 i 1 1 1 L 1 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 À(nm)

Hình 3-7 Biêu đồ phố suy hao của mét soi quang don mode Vùng này chủ yêu dùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thông truyền cự ly xa va rat xa với tốc độ truyền dẫn lên đến hàng nghìn Gbit/s và cự li hàng trăm kilômét

Trong thực tê các loại sợi đơn mode và đa mode được chê tạo cho một bước sóng truyền dẫn xác định, khi đó nó đã được tối ưu cho bước sóng đó cả về đặc tính tán xạ

38

và cả đặc tính suy hao do đó đường biểu diễn phố suy hao của nó sẽ khác dạng với dạng tông quát như trên hình 1-9

Trên hình 1-10 là một ví dụ cho một soi quang da mode GI, duoc tối ưu cho truyền dẫn ở bước sóng À=1,3um Đặc tuyến biểu thị độ rộng băng truyền dẫn cho

thay ở tại À=1,3um sợi có tán xạ bé nên có độ rộng băng tần truyền dẫn lớn nhất, và cũng có suy hao bé nhất ở đó

Sợi đơn mode thì có đặc điểm tổn tại bước sóng giới hạn Bên trên bước sóng này thì sợi làm việc ở chế độ đơn mode, còn ở bên đưới nó thì ở chế độ đa mode Trên hình I- L1 là ví đụ đặc tuyến suy hao của một sợi đơn mode có bước sóng giới hạn nằm trong khoảng À= 1,110 +1,270 ém, tại bước song A=1,310pm sợi có thể làm việc ở chế độ đơn mode

3.2 Đặc tính tán sắc của sợi quang

Khải niệm Tán xạ là hiện tượng các bước sóng khác nhau lan truyền trong sợi quang với vận tốc khác nhau, do đó gây nên hiện tượng dãn xung tín hiệu Các xung ánh sáng được phát dọc theo sợi bị rộng ra Nếu các xung lân cận bị dãn ra tới một lúc nào đó sẽ phủ lên nhau thì việc tách và thu các xung này ở đầu thu sẽ không dễ dàng Lúc này, tín hiệu thu sẽ sai đi và dẫn tới lỗi bit BER Vì vậy, tán xạ sẽ hạn chế cự ly đường truyền cũng như tốc độ truyền dẫn

Hệ số tán xạ của sợi quang của sợi quang được tính bằng ps/nm.Km, Con tham số tán xạ trong luồng quang được tính bằng ps/nm, tức là độ đãn xung tín hiệu khi truyền qua sợi quang với độ rộng phổ nguồn phải là 1 nm

Theo biểu thức toán học thì tán xạ được xác định theo độ dãn xung độ dài sợi:

2 2

2 fy TL Psikm Ik

(2—56)

Tán xa=

Với f¡ là độ rộng xung đầu vào (50%) Với t; là độ rộng xung đầu ra (50%)

39

Tần xạ vật liệu; Tan sac mode phan cực Hién twong tan xa Mode Hiện tượng này chỉ xuât hiện ở sợi đa mode, các thành phan anh sang truyén nho cac mode riêng rẽ với thời g1an khác nhau nên có sự chênh lệch thời gian sinh ra méo xung (dãn xung) Dạng xung ở máy thu phụ thuộc vào hai yếu té sau:

Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợi quang; Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang

Trong sợi SI, các tia ứng với mỗi mode chạy theo đường zích zắc với độ dài khác nhau trong đó tỉa song song với trục sợi quang có độ dài ngắn nhất Vì chiết suất ", của thuỷ tỉnh chế tạo từ ruột không thay đổi nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phan như nhau Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là khác nhau Các tia đến đầu sợi không củng một lúc và có sự chênh lệch về thời gian gây ra giãn xung

40