luận văn thạc sĩ đo lường trong thông tin quang

Hình 1.2: Sơ đồ khối một trạm lặp 3/ Những ưu điểm của thông tin sợi quang: So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là: • Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách ti

bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội

-
  -

luận văn thạc sĩ ngành: kỹ thuật điện tử

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp “Đo lường trong thông tin quang”, tôi đ vận dụng tất cả các kiến thức đ được học trong quá trình vừa qua Các kiến thức này là vốn quý không chỉ trong sách vở mà còn là thực tế, kinh nghiệm mà các Thầy, Cô đ tận tâm truyền đạt cho chúng tôi

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, tôi đ được Thầy GS-TS Trần Đức Hân

đ tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hoàn thành được bản luận văn này

Đặc biệt, trong thời gian vừa qua, tôi đ được Ban Giám đốc Công ty Điện thoại Hà nội 2 - Viễn thông Hà Nội, cùng các đồng nghiệp trong cơ quan đ nhiệt tình giúp đỡ, tạo

điều kiện và đóng góp nhiều ý kiến quý báu

Vì các lẽ đó, tôi xin cảm ơn tất cả và rất mong rằng, đây chỉ là những kiến thức nhỏ

bé trong thực tế công tác của tôi

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong được sự thông cảm

Học viên: Trần Văn Khoa

mục lục

LờI CảM ƠN 1

mục lục 2

danh mục hình vẽ 5

Lời nói đầu 9

thuật ngữ viết tắt 10

Chương 1: Sợi quang và các thông số cơ bản của sợi quang 11

I/ Giới thiệu tổng quát 11

1 Lịch sử phát triển 11

2 Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang 12

3 Những ưu điểm của thông tin sợi quang 13

4 Những ứng dụng của sợi quang 13

II/ Lý thuyết về sợi quang 13

1 Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang 13

2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 17

4 Sợi đa mode và đơn mode 20

III/ Các thông số cơ bản của sợi quang 22

A/ Suy hao của sợi 22

1 Định nghĩa 22

2 Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang 23

3 Đặc tuyến suy hao 30

B/ Tán xạ trong sợi quang 31

1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán xạ 31

2 Các loại tán xạ 31

3 ảnh hưởng hưởng của sự trộn mode vào tán xạ mode trong sợi đa mode 35

4 Kết luận 38

C/ Đường kính trường mode 38

1 Sự phân bố trường công suất trường gần (near - field) 40

2 Sự phân bố trường xa (Far - field) 40

D/ Bước sóng cắt 41

1 Các khái niệm 41

2 Các phụ thuộc của bước sóng cắt 43

E/ Các thông số hình học 43

F/ Yêu cầu kỹ thuật đối với cáp sợi quang 44

Chương 2: Phương pháp đo các thông số của sợi quang và cáp quang 46

I/ Đo suy hao sợi quang 47

1 Đo suy hao theo phương pháp hai điểm 47

2 Đo suy hao theo phương pháp đo tán xạ ngược (Backscattering) 49

3 Một số vấn đề cần lưu ý đo đoạn sợi quang ngắn 52

4 Bố trí dụng cụ đo 54

II/ Đo tán sắc và dải thông của sợi quang 56

1 Đo đáp ứng xung: 56

2 Đo đáp ứng tần số 57

3 Đo tán sắc sắc thể: 58

III/ Đo trường mode: 61

1 Đo trường xa: 61

2 Đo trường gần 62

IV/ Đo bước sóng cắt: 63

1 Đo bước sóng cắt λc trên đoạn sợi chưa bọc cáp: 63

2 Đo bước sóng cắt λcc trên đoạn sợi đe bọc cáp: 64

V/ Đo cáp: 65

1 Các phép đo kiểm tra độ bền cơ học của các sợi quang 65

2 Các phép đo đánh giá ảnh hưởng môi trường đối với cáp sợi quang 69

VI/ Quy trình đo thử hệ thống cáp quang 71

1 Mục đích đo thử: 71

2 Các loại công tác đo thử: 71

3 Các phép đo: 72

Chương 3: Máy đo OTDR và đánh giá sai số đo trong thông tin cáp sợi quang 79

I/ Thiết bị OTDR: 79

1 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR 79

2 Các thông số chính 82

3 Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR 84

II/ Đánh giá sai số đo lường 88

1 Nguyên nhân và phân loại các sai số đo lường 88

2 Sai số tuyệt đối và sai số tương đối 90

3 Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số 90

4 Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của kết quả đo lường 92

III/ Các nguyên nhân gây sai số khi đo cự ly bằng otdr 94

1 - ảnh hưởng của chỉ số chiết quang đến phép đo: 94

2 ảnh hưởng của bề rộng xung phát và dải động của OTDR 96

3 - ảnh hưởng khi đặt vị trí con trỏ trên màn hình thiết bị OTDR: 97

4 ảnh hưởng của sự sắp xếp sợi quang trong cáp 98

5 ảnh hưởng của sơ đồ hoàn công khi xác định khoảng cách cáp 101

IV/ định giá sai số khi đo cự ly bằng thiết bị otdr 102

1 Thực nghiệm đo đạc bằng OTDR 102

2 Đánh giá kết quả đo được: 107

Kết luận 112

phụ lục 113

tài liệu tham khảo 118

danh mục hình vẽ

Chương 1: Sợi quang và các thông số cơ bản của sợi quang 11

I/ Giới thiệu tổng quát Hình 1.1: Sơ đồ khối một tuyến truyền dẫn quang 12

Hình 1.2: Sơ đồ khối một trạm lặp 13

II/ Lý thuyết về sợi quang Hình 2.1: Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng λ 14

Hình 2.2: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 15

Hình 2.3: Sự phản xạ toàn phần 15

Hình 2.4: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16

Hình 2.5: Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau 16

Hình 2.6: Các dạng phân bố chiết suất 18

Hình 2.7: Truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (SI) 18

Hình 2.8: Truyền ánh sáng trong sợi GI 19

Hình 2.9: Các dạng chiết suất đặc biệt 20

Hình 2.10: Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125àm) 21

Hình 2.11: Kích thước sợi đơn mode 21

Hình 2.12: Các loại sợi quang thông dụng 22

III/ Các thông số cơ bản của sợi quang A- Suy hao của sợi Hình 1.1: Công suất truyền trên sợi quang 22

Hình 1.2: Sự suy giảm công suất quang trong sợi quang đồng nhất 23

Hình 1.3: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại 23

Hình 1.4: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại 24

Hình 1.5: Độ hấp thụ của ion OG (với nồng độ 10-6) 25

Hình 1.6: Suy hao do tán xạ Rayleigh 25

Hình 1.7: Suy hao do ảnh hưởng của uốn cong và vi uốn cong trên sợi quang 26

Hình 1.8: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R 27

Hình 1.9: Suy hao hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi 28

Hình 1.10: Suy hao hàn nối do các yếu tố ngoài 28

Hình 1.11: Suy hao hàn nối do chênh lêch thông số của 2 sợi 29

Hình 1.12: Độ suy hao do chênh lệch đường kính và chiết suất 29

Hình 1.13: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghép quang 29

Hình 1.14: Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode 30

B- Tán xạ trong sợi quang

Hình 2.1: ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b) 31

Hình 2.2: Phổ bức xạ của LED và LD 32

Hình 2.3: Phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau 33

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của tham số tán xạ mặt cắt vào bước sóng 34

Hình 2.5: Các loại tán sắc trong sợi quang 34

Hình 2.6: Tán sắc sắc thể của các loại sợi 35

Hình 2.7: Sự thay đổi đường đi của các tia sóng khi đi qua đoạn sợi quang bị uốn cong 36

Hình 2.8: Phụ thuộc của tán xạ mode vào sự trộn mode 37

Hình 2.9: Quan hệ Bm và độ dài L 37

C- Đường kính trường mode Hình 3.1: Phân bố trường của mode cơ bản 39

Hình 3.2: Phân bố trường mode 39

Hình 3.3: Phân phối công suất trường gần 40

Hình 3.4: Phân phối công suất trường xa 40

D- Bước sóng cắt Hình 4.1: Bước sóng cắt λClà một hàm của độ dài sợi 42

Hình 4.2: Bước sóng cắt 43

E- Các thông số hình học Hình 5.1: Dạng hình học của sợi quang 44

Chương 2: Phương pháp đo các thông số của sợi quang và cáp quang 46

I/ Hình suy hao sợi quang Hình 1.1: Đo suy hao theo phương pháp cắt sợi 47

Hình 1.2: Đo suy hao theo phương pháp xen thêm suy hao 48

Hình 1.3: Truyền tia tán xạ ngược 50

Hình 1.4: Nguyên lý đo phản xạ & tán xạ ngược 51

Hình 1.5: Công suất quang thay đổi theo chiều dài 51

Hình 1.6: Ghép ánh sáng vào đầu sợi quang 52

Hình 1.7: Các hình thức của bộ lọc mode 53

Hình 1.8: Sơ đồ phương pháp ghép non 54

Hình 1.9: Sự phụ thuôc của bước song vào chiều dài và độ uốn 54

Hình 1.10: Bố trí dụng cụ đo suy hao 55

Hình 1.11: Đo suy hao theo hai chiều 55

II/ Đo tán sắc và dải thông của sợi quang Hình 2.1: Nguyên lý phương pháp đo đáp ứng xung 57

Hình 2.2: Nguyên lý phương pháp quét tần số (Frequency-sweeping) 57

Hình 2.3: Nguyên lý phương pháp so sánh 58

Hình 2.4: Cấu hình để đo tán sắc sắc thể bằng trễ thời gian 59

Hình 2.5: Cấu hình đo tán sắc sắc thể trực tiếp bằng: 60

III/ Đo trường Mode Hình 3.1: Đo trường xa 61

Hình 3.2: Đo trường gần 62

iV/ Đo bước sóng cắt Hình 4.1: Cấu hình đo thử để xác định bước sóng cắt của đoạn sợi chưa bọc cáp 63

Hình 4.2: Phổ Cut-off cho phương pháp bend-reference 64

Hình 4.3: Phổ Cut-off cho phương pháp multimode – reference 64

Hình 4.4: Xác định bước sóng cắt của đoạn sợi đe bọc cáp: 65

V/ Đo cáp Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu lực căng của cáp 66

Hình 5.2: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu va đập của cáp 67

Hình 5.3: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu nén của cáp 68

Hình 5.4: Sơ đồ bố trí thiết bị đo khả năng chịu xoắn của cáp 68

Hình 5.5: Sơ đồ bố trí dụng cụ kiểm tra đồ mềm dẻo của cáp 69

Hình 5.6: Chu trình nhiệt trong khả năng chịu nhiệt của cáp 70

Hình 5.7: Mô hình kiểm tra khả năng chống thấm của cáp 70

VI/ Quy trình đo thử hệ thống cáp quang Hình 6.1: Phản xạ ở khớp nối 72

Hình 6.2: Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn giá ODF 72

Hình 6.3: Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn măng sông 73

Hình 6.4: Sơ đồ đo kiểm tra suy hao tuyến cáp 75

Hình 6.5: Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao toàn trình 75

Hình 6.6: Sơ đồ đo lỗi bit toàn tuyến 76

Hình 6.7: Sơ đồ đo công suất trong một khoảng lặp để tính công suất dự phòng 76

Hình 6.8: Minh họa Jitter 77

Hình 6.9: Các tần số qui định cho Jitter 78

Hình 6.10: Sơ đồ đo Jitter 78

Chương 3: Máy đo OTDR và đánh giá sai số đo trong thông tin cáp sợi quang 79

I/ Thiết bị OTDR Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR 80

Hình 1.2: Công suất phản xạ của một sợi đồng nhất 80

Hình 1.3: Sự biến thiên của công suất phản xạ qua các chướng ngại khác nhau 81

Hình 1.4: Sơ đồ phân bố công suất quang của một máy OTDR 84

Hình 1.5: Đồ thị phân bố suy hao trên tuyến 85

Hình 1.6: Xác định chỗ đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 85

Hình 1.7: Suy hao của mối hàn và khớp nối 86

Hình 1.8: Suy hao của mối hàn đo theo hai chiều 87

Hình 1.9: Dùng một OTDR để đo suy hao của mối hàn theo hai chiều 87

Hình 1.10: Kiểm tra thứ tự mối hàn bằng OTDR 88

II/ Đánh giá sai số đo lường Hình 2.1: Biểu đồ phân bố tần suất 91

Hình 2.2: Giản đồ của V theo X 91

Hình 2.3: Biểu thị đường cong phân bố sai số ứng với thông số h 91

III/ Các nguyên nhân gây sai số khi đo cự ly bằng OTDR Hình 3.1: Vùng chết của thiết bị OTDR 97

Hình 3.2: Cấu trúc cáp quang theo từng lớp 98

Hình 3.3: Cấu trúc cáp theo đơn vị 98

Hình 3.4: Sự khác biệt giữa chiều dài sợi quang và cáp 98

Hình 3.5: Các hình dạng của cáp 100

Hình 3.6 Xác định chỗ đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 101

IV/ Định giá sai số khi đo cự ly bằng thiết bị OTDR Hình 4.1: Đo đầu sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 102

Hình 4.2: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 103

Hình 4.3: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 103

Hình 4.4: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 104

Hình 4.5: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 104

Hình 4.6: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 105

Hình 4.7: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 105

Hình 4.8: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 106

Hình 4.9: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 106

Hình 4.10: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT 107

Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đe có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn tới vài chăm Gb/s Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đe chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thông thế giới là cáp quang hóa hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia và đường truyền dẫn quốc tế

Đối với Việt nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Viễn thông Việt nam đe hoàn thành số hóa mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống đường trục Backbone 240Gb/s được nâng cấp từ 80Gb/s và trong giai đoạn hiện nay, ngành đang chủ trương phát triển cáp quang hóa

đến thuê bao

Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang được chế tạo thành cáp sợi quang Sợi quang với các thông số của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến Do đó đòi hỏi phải xác định chính xác các thông số của nó

Một trong những phương pháp để xác định các thông số trên đang được sử dụng rộng rei là sử dụng thiết bị OTDR để đo

Vì thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản luận văn này còn có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn Thầy GS-TS Trần Đức Hân đe tận tình quan tâm giúp đỡ tôi để hoàn thành được bản luận văn này

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SRS SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

OTDR Optical-time domain reflectometer Thiết bị quang tử

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LED Light emitting diode Đi ốt phát quang

LD Laser Diode Đi ốt laser

SMF Single mode fiber Sợi đơn mode

SSMF Standard single mode fiber Sợi đơn mode chuẩn

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

DGD Differential Group Delay Trễ nhóm vi sai

OTU Optical transponder unit Khối thu phát quang

• 1790: CLAUDE CHAPPE, kỹ sư người Pháp, đe xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượt chặng

đường 200Km trong vòng 15 phút

• 1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý Anh, đe chứng tỏ rằng ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong Thí nghiệm của ông đe sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, điều mà vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay

• 1880: ALEXANDERR GRAHAM BELL, người Mỹ giới thiệu hệ thống photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí mà không cần dây Tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì có quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền

• 1934: NORMAN R FRANCH, kỹ sư người Mỹ, nhận bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thủy tinh

• 1958: ARTHUR SCHAWLOW và CHARRLES H.TOWNES, xây dựng và phát triển Laser

• 1960: THEODOR H MAIMAN đưa Laser vào hoạt động thành công

• 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận Vấn đề còn lại

là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp

• 1966: CHARLES H KAO và GEORGE A HOCKHAM, hai kỹ sư ở phòng thí nghiệm Standard Telecommunications của Anh, đề xuấ việc dùng sợi thủy tinh để dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ấy còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000 dB/Km)

• 1970: Heng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20dB/Km ở bước sóng nm

• 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

• 1980: Loại sợi đơn mode được thử nghiệm với độ suy hao khoảng 0,2dB/km

• 1983: Sơi đơn mode (SM) được xuất xưởng ở Mỹ

• 1985: Sản xuất được sợi quang dùng cho bước sóng 1550 nm và tốc độ hệ

thống bắt đầu đến 560Mb/s Năm 1986, ra đời 1.2 - 2.4Gb/s

• Tháng 4/1989: Hệ thống TPC-3/HAW-4 là hệ thống xuyên Thái Bình Dương

đầu tiên truyền tốc độ 280Mb/s tại bước sóng 1300nm

• Tháng 11/1993: Hệ thống TPC-4 nối giữa Mỹ - Nhật - Canada truyền tốc độ

560 Mb/s tại bước sóng 1550nm

• Ngày 18/08/1994: khánh thành hệ thống cáp ngầm dưới biểm

SEA-ME-WE-2 bằng sợi quang dài nhất thế giới

• Ngày nay lọai sợi đơn mode được sử dụng rộng rei Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.18db/km ở bước sóng 1550nm

Đối với Việt Nam chúng ta, kỹ thuật thông tin quang mới được ứng dụng và phát triển trong những năm 90

• Năm 1980, tuyến Hà Nội - Nội Bài được xây dựng và đưa vào sử dụng cáp quang đầu tiên ở Việt Nam với dung lượng 34mb/s

• Năm 1992, xây dựng và đưa vào hoạt động tuyến trục thông tin quang Bắc - Nam với dung lượng 34Mb/s tại bước sóng 1300nm sử dụng cáp chôn ngầm theo quốc lộ 1A

• Năm 1996, đưa vào hoạt động Hệ thống thông tin 2.5 Gb/s tại bước sóng

1550 nm của đường dây 500kv, cùng với tuyến Bắc - Nam theo QL 1A được nối thành cấu hình Ring, đầu nối tại Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Qui Nhơn, Pleiku Đến nay hệ thống đường trục Backbone 240 Gb/s trên cơ sở nâng cấp từ 80 Gb/s

• Thực hiện chủ trương cáp quang hóa mạng Viễn Thông Việt Nam của Ngành Viễn thông, các mạng nội hạt của các Viễn thông tỉnh cũng được xây dựng rộng rei trong toàn quốc Các đường trung kế liên Đài cũng được cáp quang hóa với dung lượng cao

2/ Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang:

Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang được nêu trong H.1.1 Trong đó tín hiệu điện có thể ở dạng analog hoặc digital, ngày nay dạng digital được dùng phổ biến

Hình 1.1: Sơ đồ khối một tuyến truyền dẫn quangNếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một vài trạm lặp với sơ đồ khối trên hình H.1.2

Hình 1.2: Sơ đồ khối một trạm lặp 3/ Những ưu điểm của thông tin sợi quang:

So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là:

• Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm được số trạm tiếp vận

• Dải thông tin rất rộng: Có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc độ cao

• Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ: dễ lắp đặt và choán ít chỗ

• Hoàn toàn cách điện: không chịu ảnh hưởng của sấm sét

• Không bị can nhiễu bởi từ trường điện từ: vẫn hoạt động trong vùng có nhiễu

điện từ mạnh

• Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên

Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại với dung lượng và cự ly

4/ Những ứng dụng của sợi quang:

Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn hiện nay bao gồm:

• Mạng đường trục Quốc gia

• Đường trung kế

• Đường cáp thả biển liên Quốc gia

• Đường truyền số liệu

• Mạng truyền hình

• Thuê bao cáp sợi quang

• Mạng số đa dịch vụ ISDN

II/ Lý thuyết về sợi quang

1/ Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang

a/ Chiết suất của môi trường

Chiết suất của một môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường ấy

C n v

=n: Chiết suất của môi trường, không có đơn vị C: Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s

v: Vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s Vì v ≤ C nên n ≥ 1

Chiết suất của vài môi trường thông dụng:

- Không khí : n = 1,00029 có thể xem bằng 1

- Nước : n = 1,333

- Thủy tinh : n = 1,48 ≈ 1,5 Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó Ví dụ: chiết suất của thủy tinh 100% SiO2 thay đổi theo bước sóng λ như trên hình 2.1

Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra ánh sáng trong một khoảng hẹp bước sóng chứ không phải chỉ có một bước sóng Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm Vg và chiết suất môi trường cũng

được đánh giá theo chiết suất nhóm ng

- Cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới)

= ư

Hình 2.2 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

c Sự phản xạ toàn phần:

Từ công thức Snell đe nêu trên ta thấy:

- Nếu n1 < n2 thì θ1 > θ2 : Tia khúc xạ gey về phía gần pháp tuyến

- Nếu n1 > n2 thì θ1 < θ2 : Tia khúc xạ gey về phía xa pháp tuyến hơn

Trường hợp n1 > n2, nếu θ1 thì θ2 cũng tăng và θ2 luôn lớn hơn θ1 Khi θ2 = 90o, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì θ1 được gọi là góc tới hạn θc Nếu tiếp tục tăng θ1 > θc thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 2.2) Hiện tượng này được gọi là sự phản xạ toàn phần

Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell) với θ2 = 900 có thể tính

được góc tới hạn θc:

2sin

2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang:

a Nguyên lý truyền dẫn chung

ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ phản xạ (cladding) cũng bằng thủy tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 (H.2.4) ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ phản xạ Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn

Hình 2.4: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

b Khẩu độ số NA (Numerical Aperture):

Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc giới hạn θc (H.2.5) Sin của góc giới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA

NA = sinθc

Hình 2.5: Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau

áp dụng công thức Snell tính NA:

Tại điểm A đối với tai 2:

nosinθmax = n1 sin (90o - θc) Mà: n0 = 1 (chiết suất của không khí)

∆ = ≈ độ lệch chiết suất tương đối

Độ chênh lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%)

Ví dụ: Sợi quang có n1 = 1,50 và n2 = 1,485 thì:

3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thủy tinh nhưng chiết suất nhỏ hơn Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất của lõi, nói chung, thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sợi ra) Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên H.2.6:

8 1

g = 1: dạng tam giác

g = 2: dạng parabol

g → ∞: dạng nhảy bậc

Hình 2.6: Các dạng phân bố chiết suất

a Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step - Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác sẽ truyền theo những đường khác nhau như H.2.7

Hình 2.7: Truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc (vì Vph = c/n1, ở đây n1không đổi) mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn đến một hiện tượng: Khi đưa một xung

ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do hiện tượng tán sắc (dispersion), sẽ được đề cập ở phần sau

Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua

cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất tần giảm dần

b Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Graded - Index)

Sợi SI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol

2 1

truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất nhưng đi với tốc độ nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol (g=2) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI Ví dụ: độ chênh lệch thời gian truyền qua

sin ( )r n r( ) n NA 1 r NA

a

- Trên trục sợi: r = 0 thì θ (0) = θmax

- Trên mặt giao tiếp: r = a thì θ (a) = 0

c Các dạng chiết suất khác:

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến Ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt như:

Dạng giảm chiết suất lớp bọc: (H.2.9a)

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm bảo đảm độ lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao

Dạng dịch độ tán sắc: (H.2.9b)

Như sẽ phân tích sau này, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như H.2.9b

Dạng san bằng tán sắc: (H.2.9c)

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang

có dạng chiết suất như H.2.9c Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới

áp dụng trong thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

Hình 2.9: Các dạng chiết suất đặc biệt

4 Sợi đa mode và đơn mode:

Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang: một hướng dùng

lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng Thông thường lý thuyết tia được áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến

lý thuyết sóng

Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác dịnh biểu thức sóng truyền trong đó Dựa trên biểu thức sóng đe xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng

a Sợi đa mode (MM: Multi - Mode)

Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N cũng lớn Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125àm) là:

V

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần (H.2.10)

Hình 2.10: Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125àààm)

b Sợi đơn mode (SM: SingleMode)

Khi giảm kích thước lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản (LP01) truyền được trong sợi thì sợi được gọi là sợi đơn mde Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số V < VC1 = 2,405

Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi đa mode (kể cả loại sợi GI), đặc biệt

ở bước sóng λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0)

Hình 2.11: Kích thước sợi đơn mode

Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng, các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu ngày nay đều

có thể đáp ứng, do đó sợi đơn mode được dùng phổ biến

Đặc tính tổng quát của ba loại sợi quang thông dụng được tóm tắt như trên H.2.12

Hình 2.12: Các loại sợi quang thông dụng III/ Các tham số cơ bản của sợi quang

A suy hao của sợi

1 Định nghĩa

Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

10

P(L): công suất ở cụ ly L (Km) tính từ đầu sợi α: hệ số suy hao

Hình 1.1: Công suất truyền trên sợi quang

* Độ suy hao của sợi được tính bởi:

1 2

( ) 101 P

P

=

Trong đó: P1 = P(0) : công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L): công suất ở cuối sợi

* Hệ số suy hao hay suy hao trung bình:

( ) ( / )

Trong đó: A: suy hao của sợi

L: Chiều dài sợi

Về nguyên tắc đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng α) mà là quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn

Hình 1.2: Sự suy giảm công suất quang trong sợi quang đồng nhất

2 Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi bị thất thoát

do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong Ngoài ra, còn có thể

kể thêm suy hao do hàn nối và do hiệu suất ghép quang

a/ Suy hao do hấp thụ:

* Do tư hấp thu (Hấp thu bằng cực tím và hồng ngoại):

Do có cấu tạo vỏ điện tử bao và do mối liên quan giữa năng lượng và 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 do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất bé, hoặc hầu như không suy hao Còn ở các bước sóng khác sẽ có hiện tượng cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng

Thủy tinh Silica (SiO2) hiện nay được sử dụng để chế tạo sợi quang có các

đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại 10àm đến 20àm, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thông tin quang là từ 0,8àm đến 1,6àm hoặc trong vùng lân cận

Tuy vậy, hiện tượng thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 1.3 Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang

Hình 1.3: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại

* Do hấp thụ do tạp chất kim loại

Trong thực tế, vật liệu chế tạo sợi không hoàn toàn tinh khiết mà có lẫn các ion kim loại như sắt (Fe), đồng (Cu), crom (Cr), mangan (Mn), nickel (Ni), Cobal (Co) Các tạp chất này là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng Hiện nay, các hệ thống truyền dẫn quang chủ yếu làm việc ở bước sóng 1,3àm và 1,55àm nhưng suy hao ở các bước sóng này là rất nhạy cảm với sự không tinh khiết này của vật liệu

Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó

Với nồng độ tạp chất một phần triệu (10-6) thì độ hấp thụ của vài tạp chất như H.1α (dB/Km)

Hình 1.4: Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại Muốn đạt được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9) Với công nghệ chế tạo sợi hiện đại, người ta có thể làm sạch kim loại và suy hao do các ion kim loại không còn vai trò đáng kể nào nữa

* Do hấp thụ của ion OH:

Sự có mặt của các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể Độ hấp thụ ion OH chủ yếu ở bước sóng 2700nm nằm ngoài bước sóng dùng trong thông tin quang từ 850nm đến 1600nm Ngoài ra, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1250nm và 1383nm

Như vậy, độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (10-9) để giảm độ hấp thụ của nó và ở các sợi có chất lượng cao chỉ còn

đỉnh tiêu hao ở bước sóng 1250nm và 1383nm

Hình 1.5: Độ hấp thụ của ion OG (với nồng độ 10-6)b/ Suy hao do tán xạ ánh sáng:

* Tán xạ Rayleigh:

Nói chung, khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện mới gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ Những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp của các phân tử thủy tinh, các khuyết tật của sợi như: bọt không khí, các vết nứt, khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng 1/10 bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này cũng tỏa ra nhiều hướng Chỉ một phần năng lượng

ánh sáng truyền theo hướng cũ; phần còn lại truyền theo các hướng khác, thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang

Một đặc tính quan trọng của tán xạ Rayleigh là tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng (λ-4)-4 nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài như hình 1.6

4 0 0

αtx (λ0): là hệ số tán xạ tại bước sóng mẫu λ0 xác định theo vật liệu chế tạo sợi

Đối với thủy tinh Silica (Si02) thì có λ0 = 1àm và αtx (λ0) = 0,8 dB/Km

Hình 1.6: Suy hao do tán xạ Rayleigh

ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silica khoảng 1 đến 2 dB/Km và ở bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3 dB/ Km ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa

Cần lưu ý rằng, tán xạ Rayleigh là một nguyên nhân gây suy hao cho sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường trong các máy đo quang dội

* Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo

Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng

sẽ bị tán xạ Lúc đó, một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần

c/ Suy hao do sợi bị uốn cong

Việc uốn cong sợi cũng gây ra suy hao ánh sáng truyền trong sợi Đây là một cơ chế suy hao quan trọng vì nó hoàn toàn phụ thuộc vào người sử dụng

* Vi uốn cong (Micro bendding)

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong chừng vài nm) thì suy hao của sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi qua những chỗ vi uốn cong đó Một cách chính xác hơn sự phân

bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới một phần năng lượng ánh sáng phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi trong lớp bọc (cladding) và suy giảm dần theo hàm số mũ Độ lớn suy hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép Lg

Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất là về bước sóng dài

Hình 1.7: Suy hao do ảnh hưởng của uốn cong và vi uốn cong

trên sợi quang

* Uốn cong (Macro bendding)

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng (Hình 1.8) Dĩ nhiên, không thể tránh khỏi được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt Nhưng nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể người ta quy định bán

kính uốn cong tối thiểu R:

2 1 3

λ π

=

ư

Do đó, cần chú ý đến bán kính uốn cong tối thiểu của sợi để không tăng suy hao Bán kính cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông thường từ 30mm đến 50mm

Hình 1.8: Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R

Độ suy hao do uốn cong có thể được tính theo công thức

R: bán kính uốn cong a: bán kính lõi

g: tham số mặt cắt d/ Suy hao do hàn nối:

Khoảng cách giữa hai trạm thông tin quang thường dài hơn chiều dài của một cuộn cáp và nhất thiết cần phải nối các sợi quang của hai cuộn cáp với nhau Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ suy hao của mối hàn, có thể xếp thành ba loại chính:

- Chất lượng mặt cắt đầu sợi quang

- Vị trí tương đối giữa hai đầu sợi quang

- Thông số của hai sợi

* Chất lượng mặt cắt ở đầu sợi

Suy hao của mối hàn trước tiên phụ thuộc vào công việc chuẩn bị nối, thông qua chất lượng của mặt cắt sợi quang Các yêu cầu đối với mặt cắt là:

- Mặt cắt phẳng, không mẻ, không lòi ở mép (ba vớ)

- Mặt cắt không bị dính bụi, các chất bẩn

- Mặt cắt phải vuông góc với trục của sợi

Góc nghiêng của mặt cắt càng lớn thì suy hao mối hàng càng cao (H.1.9) Trên thực tế góc nghiên vào khoảng 10 đến 30

Hình 1.9: Suy hao hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi

* Vị trí tương đối giưa hai đầu sợi

Suy hao mối hàn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai đầu sợi, còn gọi là các yếu tố ngoài, bao gồm:

- Lệch trục: trục của hai sợi không song song nhau

- Lệch tâm: tâm của hai mặt cắt đầu sợi không trùng nhau

- Khe hở: đầu hai sợi không sít nhau

Độ suy hao của mối hàn phụ thuộc vào các yếu tố ngoài như trên H.1.10

Hình 1.10: Suy hao hàn nối do các yếu tố ngoài

* Các thông số của hai sợi:

Nếu hai sợi được chuẩn bị cẩn thận, điều chỉnh chính xác nhưng có thông số khác nhau thì suy hao nối vẫn cao Do khác biệt về các thông số sau sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn:

- Đường kính sợi (đường kính lõi, đường kính trường mode)

Hình 1.11: Suy hao hàn nối do chênh lêch thông số của 2 sợi

Hình 1.12: Độ suy hao do chênh lệch đường kính và chiết suất

e/ Suy hao do hiệu suất ghép quang:

Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang Hiệu suất ghép càng lớn thì công suất quang ghép vào càng nhiều và ngược lại

Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang, vị trí đặt nguồn quang với sợi quang

Hình 1.13: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghép quang

Để tăng hiệu suất ghép quang, người ta có thể dùng ghép giữa các nguồn quang, hoặc nung chảy đầu sợi quang thành dạng cầu

3 Đặc tuyến suy hao:

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy theo chủng loại sợi nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung như đe phân tích Một đặc tuyến

điển hình của loại sợi đơn mode như hình 1.14

Hình 1.14: Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode Cần lưu ý rằng, trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao

* Cửa sổ thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 ữ 3 dB/Km Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất

* Cửa sổ thứ hai có bước sóng 1300nm: Suy hao ở bước sóng này tương đối thấp khoảng 0,4 ữ 0,5 dB/Km Đặc biệt, ở bước sóng này có độ tán sắc rất thấp (sẽ phân tích trong những phần sau) nên đang được sử dụng rộng rei hiện nay

* Cửa sổ thứ ba có bước sóng 1550nm: Cho đến nay suy hao ở bước sóng này

là thấp nhất, có thể dưới 0,2 dB/Km Trong những sợi quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với bước sóng 1300nm Nhưng với loại sợi có dạng phân

bố chiết suất đặc biệt, có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm Lúc đó, sử dụng cửa

sổ thứ ba sẽ có được cả hai lợi điểm: Suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bước sóng 1550nm sẽ

được sử dụng rộng rei trong tương lai, nhất là các tuyến cáp quang thả biển

B/ Tán xạ trong sợi quang

1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán xạ

Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiện hiện tượng den rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp, các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó, ta không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng den xung được gọi là hiện tượng tán xạ

Nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời

Tán xạ ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể:

• Khi truyền tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiện hiện tượng den rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp, các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó, ta không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng den xung

được gọi là hiện tượng tán xạ

• Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm nhỏ (tới giá trị AE trên H.3.1b) và có hiện tượng dịch pha Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn

Hình 2.1 ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b)

(S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu)

a) Dãn xung b) Sụt biên độ

2 Các loại tán xạ:

a Tán xạ vật liệu

Vì chiết suất của vật liệu thủy tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước sóng của tín hiệu lan truyền, tức là n = n (λ) Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng λ0thì không có hiện tượng lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng vì chúng lan truyền theo cùng vận tốc

v = c/n (λ0) = const

Hình 2.2: Phổ bức xạ của LED và LD Thế nhưng các nguồn quang như LED hoặc diod Laser thường không chỉ bức xạ ra một vạch phổ ứng với bước sóng λ0mà chúng còn bức xạ ra một dải phổ ∆λ

quanh ở bước sóng λ0ở mức biên độ 0,5 như (H.2.2) Trong đó, phổ của diod phát quang LED là phổ liên tục gồm vô số vạch phổ, còn trong đường bao phổ của diod Laser cũng gồm một số vạch phổ, nằm giữa hai bước sóng

b Tán xạ dẫn sóng:

Sự phân bố của trường và hằng số truyền lan của các mode phụ thuộc vào tỷ số của đường kính ruột 2a và bước sóng công tác λ (tỷ số 2a/λ) Khi đường kính ruột 2a của một loại sợi không đổi, các mode lan truyền với các bước sóng λ lệch nhau một chút Vận tốc pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng λ lúc này còn là một hàm của đặc tính hình học sợi quang Như thế xung thu bị den rộng phụ thuộc vào bước sóng Đối với sợi đa mode do đường kính ruột lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ Còn sợi đơn mode có đường kính ruột khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hưởng

đáng kể Điều đáng nói là do sợi có đường kính ruột quá nhỏ nên khi truyền dẫn có một phần ánh sáng lọt ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ - ruột, có chiết suất thay đổi, nên sinh ra trễ nhóm Với sợi đa mode chiết suất bậc thì trị số tán xạ này có sẵn và không đổi nữa

Đối với tán xạ dẫn sóng, ở xung quanh bước sóng 0,85àm (cửa sổ truyền dẫn thứ nhất) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bước sóng, giống nhưu tán xạ vật liệu,

do đó hai tán xạ này đều dương (cùng làm den rộng xung ánh sáng) Nhưng độ lớn của tán xạ dẫn sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu ở bước sóng 1,25àm thì

tán xạ dẫn sóng trở nên có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu Tới bước sóng 1,27àm chúng ta sẽ có dấu khác và sẽ làm suy giảm lẫn nhau tới 0

Hình 2.3: Phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau

c Tán xạ mode:

Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méo xung (den xung) Dạng xung ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

* Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợi quang

* Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang

Từ ảnh hưởng phụ thêm của tán xạ mặt cắt, người ta thấy rằng mỗi sợi quang

có được độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất chỉ tại một bước sóng cụ thể ở mỗi vùng truyền dẫn có tham số mặt cắt gopt khác nhau, do vậy cũng có chiết suất tối ưu khác

nhau Vì vậy, mỗi loại sợi quang đa mode được chế tạo sẽ được tối ưu cho một vùng bước sóng công tác Không có một loại sợi nào cho phép đạt độ rộng băng tần truyền dẫn lớn cả hai vùng cửa sổ, chẳng hạn ở 0.85àm và 1.3àm

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của tham số tán xạ mặt cắt vào bước sóng

e Tán sắc tổng cộng:

Hình 2.5 Các loại tán sắc trong sợi quang Như đe biết rằng tán sắc tổng của sợi đơn mode gồm các tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng chủ yếu Tán sắc D được diễn giải bằng:

1 ( ) d

D

L d

τ λ

- Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm

Dmat = dmat x ∆λ

Hướng này có liên quan đến công nghệ chế tạo Laser để có được Laser băng hẹp hay còn gọi là Laser đơn tần (Single - frequency Laser)

- Dịch điểm có tán sắc bằng không đến bước sóng 1550nm Lúc đó ở bước sóng 1550nm sợi quang vừa có suy hao thấp vừa có suy hao nhỏ

Để có được sợi dịch tán sắc, dạng phân bố chiết suất của sợi như H.2.6 Lúc đó tán sắc chất liện và tan sắc dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550nm Đường biến thiên tán sắc của sợi dịch tán sắc như trên H.2.6

* Sợi san bằng tán sắc:

Dung lương của sợi quang có thể được nới rộng hơn bằng cách dùng hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật này được gọi là ghép kênh theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing) Để thực hiện tốt kỹ thuật này cần một sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong một khoảng sóng chứ không chỉ tại một bước sóng Sợi như vậy được gọi là sợi san bằng tán sắc Dạng phân bố chiết suất của nó

và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như trên H.2.6

Do sự phức tạp của nó, sợi san bằng tán sắc mới chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm

Hình 2.6 Tán sắc sắc thể của các loại sợi

3 ảnh hưởng của sự trộn mode vào tán xạ mode trong sợi đa mode:

Khi không có hiện tượng trộn mode thì giá trị tán xạ (độ den xung) tăng tuyến tính với chiều dài sợi, nên vừa hạn chế băng tần truyền dẫn, vừa hạn chế cự ly truyền dẫn

Trên thực tế, không phải luôn luôn sợi thẳng một cách lý tưởng, cũng như

không phải lúc nào cũng là dạng hình trụ, mà thường có những chỗ uốn cong nhỏ,

hoặc tiết diện sợi hình ellip, và còn xuất hiện cả những chỗ không đồng nhất khác

Do vậy, đường đi của các tia sáng bị thay đổi chút ít, hoặc có đôi chỗ không thỏa

men phản xạ toàn phần, góc phản xạ khác với góc tới Trên hình (2.7) cho ví dụ sự

thay đổi đường đi của các tia sáng khi đi qua đoạn sợi quang bị uốn cong

Hình 2.7: Sự thay đổi đường đi của các tia sóng khi đi qua đoạn sợi quang

bị uốn cong Khi đi qua chỗ sợi bị uốn cong thì một tia thẳng hơn (ví dụ tia 1) sẽ trộn lẫn

vào tia dốc hơn (tia 2) hoặc ngược lại (tia 1) Như thế, năng lượng của tia được giữ

nguyên, nhưng đe chuyển thành một mode khác, cụ thể từ mode bậc nhỏ hơn thành

mode bậc cao hơn và ngược lại Hiện tượng này trong sợi đa mode được gọi là sự

trộn mode hay tản mode

Sự trộn mode vừa có tác dụng, vừa gây tác hai, cụ thể như sau:

• Chỉ sau khi di được một đoạn nào đó, thì mới có sự phân bố năng lượng

cho các mode, gọi là trạng thái cân bằng mode, và sau đó thì không thay

đổi nữa Độ dài ban đầu này gọi là đoạn ghép, có giá trị vào khoảng vài trăm m đến vài Km (ký hiệu là LK) tùy theo sợi Trong quá trình trộn mode, người ta thấy rằng, hầu như các mode bậc cao hơn dễ bị ảnh hưởng nhiều và rất dễ vượt ra khỏi ruột sợi, nên các mode bậc cao chỉ còn là một phần năng lượng nhỏ

• Các mode bậc cao ứng với các tia zích zắc dối hơn, chính chúng gây ra

độ lệch thời gian lớn hơn so với tia đi dọc trục, vì thế khi chúng đi ra khỏi ruột sợi thì độ den xung cũng giảm bớt đi Như thế, trên một sợi quang dài, người ta thấy rằng ban đầu thì tán xạ mode tăng tuyến tính với độ dài sợi, nhưng khi đi hết đoạn ghép Lk thì tăng chậm lại, tỉ lệ với căn bậc hai của độ dài L

Độ dài đoạn ghép Lk đặc trưng cho sự trộn mode của sợi ảnh hưởng của trộn

vào độ den xung (tán xạ) được biểu thị trên hình 2.8

Hình 2.8 : Phụ thuộc của tán xạ mode vào trộn mode

a Đường cong 1: Tăng tuyến tính, không có trộn mode

b Đường cong 2: Tăng theo căn bậc hai với vùng L/Lk >> 1

c Đường cong 3: Tăng gần tuyến tính ở vùng gần đoạn ghép

Ngoài ra, sự trộn mode có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn của sợi Nếu sợi không có trộn mode thì độ rộng băng truyền dẫn giảm tuyến tính theo độ dài sợi L của sợi Khi có trộn mode, thì độ rộng băng truyền giảm không theo tuyến tính nữa mà với mức độ giảm ít hơn Một cách gần đúng, có thể nói rằng ban đầu độ rộng băng truyền dẫn (do ảnh hưởng của riêng tán xạ mode) giảm dần theo 1/L và sau đó giảm theo giá trị 1/ L

Một cách gần đúng với quan sát thực tế, ta thấy rằng có thể biểu thị quan hệ của

độ rộng băng truyền dẫn bị hạn chế bởi tán xạ mode theo công thức

1 1 3

Với B’m là độ rộng băng truyền dẫn trên đoạn một kilômet Giá trị đoạn dài

đoạn ghép Lk và độ rộng băng Bm cần phảo đo trong thực tế, hoặc tính toán trước Thế nhưng, người ta chưa thể xác định chính xác được, do đó hai đại lượng này cần xác định theo kinh nghiệm cho loại cáp quang sử dụng Trên hình (2.9) thể hiện quan

hệ Bm và L theo (2.6)

Hình 2.9: Quan hệ Bm và độ dài L

Đường 1: Giảm tuyến tính theo lý thuyết

Đường 2: Thực tế giảm ít dốc hơn

4 Kết luận:

• Tán xạ mode chỉ xuất hiện ở sợi đa mode, nguyên nhân là do thời gian chạy của các thành phần sóng phụ thuộc vào các mode Như thế trước hết nó phụ thuộc vào cấu trúc của sợi quang, tức phụ thuộc vào sự biến thiên của hàm số chiết suất trong ruột sợi Sợi SI thì tán xạ trên một kilômet sợi dài hầu như không đổi Sợi GI thì cho tán xạ đạt cực tiểu tại giá trị tham số mặt cắt tối ưu gopt

• Khi có thêm tán xạ mặt cắt tác động, thì tham số tán xạ P tác động vào dịch chuyển đỉnh tán xạ mode cực tiểu dọc theo tham số cắt g đến điểm gopt mới Tán xạ

có tác động hạn chế độ rộng băng truyền dẫn Với mỗi loại sợi chỉ đạt độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất tại một bước sóng nhất định, không thể có loại sợi đa mode GI nào có thể đạt độ rộng băng tần truyền dẫn lớn nhất ở tại hai vùng bước sóng công tác khác nhau

• Tán xạ vật liệu xuất hiện ở cả sợi đa mode và sợi đơn mode, bên cạnh là tán xạ dẫn sóng Nguyên nhân của tán xạ vật liệu là do chiết suất của ruột sợi phụ thuộc vào bước sóng công tác Tán xạ dẫn sóng xuất hiện là do hằng số truyền dẫn của mode phụ thuộc vào bước sóng Như vậy có thể thấy tán xạ vật liệu và tán xạ dẫn sóng phụ thuộc vào độ rộng bức xạ của nguồn bức xạ quang (LED, LD)

• Tán xạ dẫn sóng là không đáng kể đối với sợi đa mode Sợi SI thì tán xạ mode lớn hơn tán xạ vật liệu nhiều Sợi GI thì tán xạ vật liệu có ảnh hưởng lớn hơn, nhưng tùy loại vật liệu mà có điểm tán xạ này D(λ) = 0, chẳng hạn với sợi thủy tinh thạch anh (SiO2) thì ở vùng bước sóng 1,3àm có tán xạ vật liệu bằng 0

• Trong sợi đơn mode người ta sử dụng tán xạ dẫn sóng để bù trừ ảnh hưởng của tán xạ vật liệu tại các vùng bước sóng công tác phù hợp, chẳng hạn ở vùng 1,3àm, vùng 1,5àm hoặc trong dải từ 1,3àm đến 1,5àm sẽ có tán xạ tổng cộng rất

bé Từ đó sợi sẽ có độ rộng băng truyền dẫn rất lớn tại các bước sóng có tiêu hao truyền dẫn nhỏ, nâng cao năng lực truyền dẫn cho sợi Để đạt mục đích này, người ta chế tạo một số loại sợi đơn mode có cấu tạo đặc biệt và chiết suất biến đổi phức tạp

C/ đường kính trường mode:

Trong sợi đơn mode sự phân bố trường là một yếu tố quan trọng cần lưu ý khi xét điều kiện phóng ánh sáng vào sợi cũng như phân tích độ suy hao của các mối nối

Năng lượng, thể hiện qua biên độ trường bức xạ F(r), không chỉ tập trung trong lõi sợi mà có một phần truyền ngoài lớp học Sự phân bố trường của mode sóng cơ bản như trên H.3.1

Hình 3.1: Phân bố trường của mode cơ bản Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang theo quy luật hàm mũ (hàm Gauss), một phần năng lượng lọt ra vỏ và truyền lan trong vỏ Sự phân

bố tương đối của cường độ trường (I/Imax) là một hàm số của bán kính và bước sóng như thể hiện trên hình 3.2

Hình 3.2: Phân bố trường mode Bán kính trường mode p là bán kính mà tại đó biên độ trường giảm đi 1/e lần (e = 2,718 nên 1/e ≈ 0,367 ≈ 37%) Đường kính 2p phụ thuộc vào bước sóng λ Bước sóng càng dài, đường kính trường mode càng tăng như trên H.3.1

Đối với sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và có thể tính theo công thức gần đúng:

0

2 ( ) sin cos 2