Sợi cáp quang, phương pháp đo được bằng OTDR và những yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo

Trong những nă m gần đây, các hệ th ống thông tin được phát triển mạ nh mẽ h ơn bao giờhết, đáp ứng được phần nào sự bùng n ổ thông tin trên toàn thếgiới. Các mạng thông tin đi ện hiện đại có c ấu trúc đi ển hình gồm các nút mạng được tổchức nhờcác hệ th ống truyền dẫn khác nhau nhưcáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệtinh… Nhu c ầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi s ố l ượng kênh truyền dẫn rất l ớn, song các hệth ống truyề n dẫn kể trên không t ổchức được các luồng kênh cực lớn.

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát triển

mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thông tin

trên toàn thế giới Các mạng thông tin điện hiện đại có cấu trúc điển hình

gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau

như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh… Nhu cầu thông tin

ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ

thống truyền dẫn kể trên không tổ chức được các luồng kênh cực lớn

Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra được các

hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s Một số nước trên thế giới ngày

nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống

truyền dẫn Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thông thế giới là cáp

quang hoá 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 Bưu điện Việt Nam đã hoàn thành

vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ

thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring Và trong

giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang hoá mạng thông tin

nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi

quang

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

Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhà sản

xuất Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp đặt, sử dụng… ta

cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang

như : suy hao toàn tuyến, suy hao trung bình, suy hao hàn nối, suy hao

ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của toàn tuyến…

Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định một cách tương đối chính xác

của sự cố xảy ra trên tuyến

Một trong các phương pháp để xác định của thông số trên đang

được sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo Trong bản đồ án

này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phương thức đo

được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu ra những yếu tố ảnh hưởng đến sai

số của phép đo

Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản đồ án này còn có

nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo đã tận tình quan tâm giúp đỡ

tôi đẻ hoàn thành được bản đồ án này

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG

1.1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang

Thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sơm, từ xa xưa

con người đã biết sử dụng lửa và phản chiếu ánh sáng để báo hiệu cho

nhau và đây có thể coi là một hình thức thông tin bằng ánh sáng sơm nhất

Sau đó, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát

triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay Ở trình độ

phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệ thống thông tin quang

được coi là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển

khai nhanh trên mạng lưới viễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi

cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo

chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất Ở nước ta ta, các hệ thống thong

tin quang đã được phát triển rộng khắp cả nước trong những năm gần đây,

và đang đóng vai trò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại

Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã trải

qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó Vào năm 1960, việc

phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có

ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số

ánh sáng Vào thời điểm đó, hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên

bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó Tuy nhiên, chi phí cho các

công việc này quá tốn kém, kinh phí cho việc sản xuất các thành phần

thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết tự nhiên đã gây

ra là con số khổng lồ Chính vì vậy chưa thu hút được sự chú ý của mạng

lưới

Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thống

truyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh ra sợi

dẫn quang Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù có suy

hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô hình hệ thống

có xu hướng linh hoạt hơn Năm 1966 Kao và một số nàh khoa học khác

đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang Những nhận định này đã

được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ

tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970 Suy hao này nhỏ hơn nhiều so

với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương

đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng Với sự cố gắng không

ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần

lượt ra đời Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi

dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc

1300mm Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới <

0,2 dB/km tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của

công nghệ sợi quang trong những năm qua Cùng với công nghệ chế tạo

các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống

thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông

tinâcps kim loại là :

-Suy hao truyền dẫn rất nhỏ

-Bằng tần truyền dẫn lớn

-Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ

-Có tính bảo mật tín hiệu thông tin

-Có kích thước và trọng lượng nhỏ

-Sợi có tính cách điện tốt

-Tin cậy và linh hoạt

-Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng

rộng rãi trên mạng lưới Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến

đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việc truy nhập

vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường lắp đặt từ

trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại

dương v.v… Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp với các hệ

thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các

tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu hay Nhật Bản

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được áp dụng rộng rãi

trên thế giới, chúng đáp ứng cả tín hiệu tương tự (analog) và số (digital),

chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng

rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ

(ISDN) Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số

lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu

trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cáp quang là môi trường truyền dẫn

chính trong mạng lưới viễn thông của họ Các hệ thống thông tin quang sẽ

là mũi đôtj phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các

dịch vụ viễn thông cấp cao

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang

Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều năm

khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau Nhìn chung, các

hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu

số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi

theo hướng này Theo quan niệm thống nhất như vậy, ta có thế xem xét

cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như

Nguồn phát quang

Đầu thu quang

Chuyển

đổi tín hiệu

Tín hiệu

điện v o

Tín hiệu điện ra

Bộ phát quang

Sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi

quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo gồm có nguồn

phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp

sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo

vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ

tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài

các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối

quang (Connector) Các mối hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang vấcc

trạm lặp, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với những

điều kiện lắp đặt khác nhau Chúng có thể được trao ngoài trời, chôn trực

tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển Tuỳ thuộc vào các điều kiện

lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ

vài trăm mét tới vài kilomet Tuy nhiên đôi khi thi công, các kích cỡ của

cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp đượ kéo

trong cống sẽ không thể cho phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường

được dùng cho treo hoặc chôn trực tiếp Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài

cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến được lắp đặt

Sợi quang có cấu trúc rất mảnh Nó được cấu tạo chủ yếu bằng vật

liệu thuỷ tinh Dạng của sợi quang là hình ống trụ gồm hai lớp thuỷ tinh

lồng vào nhau và có độ đồng tâm cao Đường kính của lõi dẫn ánh sáng

vào khoảng 50µm đối với sợi đơn mode Đường kính ngoài của lớp vỏ

phản xạ thông thường vào khoảng 125µm cho cả 2 loại sợi Có ba loại sợi

quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc, sợi đa mode chỉ số chiết

suất gradien, và sợi quang đơn mode Tham số quan trọng nhất của cáp

sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo

bước sóng Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba

vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm,

1550nm Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin

quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba

tương ứng

Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệu vào

đường truyền sợi quang Cấu trúc thiết bị phát quang gồm có nguồn phát

quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệu đầu vào Nguồn

phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phát quang (LED) hoặc

Laser bán dẫn (LD) Tín hiệu ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi

khi códạng tương tự sẽ được tiếp nhận để đưa vào phần điều khiển Mạch

điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệu điện dưới dạng điện áp thành xung

dòng Cuốicùng nguồn phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành

tín hiệu quang tương ứng và phát vào sợi quang Hình 1.2 là sơ đồ khối

của thiết bị phát quang

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị phát quang

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan

truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang khi truyền trên sợi

dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp

thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện

trực tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới Tín hiệu

quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện Các photodiôt

PIN và photodiode thác APD đều có thểư dụng làm các bộ tách sóng

quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất

làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo

nênghiên cứuác bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của

chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách sóng quang cũng phải

phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Yếu tố quan

trọng nhất phản ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy

thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc

độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống; điều này tưng

tự như tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự Sau

khi tín hiệu quang được tách tại bộ tách sóng quang, tín hiệu điện thu

được tại đầu ra photodiode sẽ được khuếch đại và khôi phục trởvề dạng

tín hiệu như ở đầu vào thiết bị phát Như vậy sơ đồ của thiết bị thu quang

sẽ có thể được mô tả như hình 1.4 sau :

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị thu quang sô

1.1.3 Những ưu điểm và ứng dụng 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 thôgn tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc độ

cao

-Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ : dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ

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

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

Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so với sợi

kim loại với cùng dung lượng và cự ly

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

Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng

-Thuê bao cáp sợi quang

-Mạng số đa dịch vụ ISDN

1.2 LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG

1.2.1 Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang

Chiết suất của 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

V

C

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 một môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh

sáng truyền trong nó

Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra anhsangs trong

một khoảng hẹp chứ không phải chỉ có một bước sóng Do đó vận tốc

truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm Vnh và chiết

suốt môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm : nnh

λ

λ

d

dn n

n nh = −

Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách với môi

trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : một tia phản xạ lại môi trường

1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2 Tia phản xạ và tia khúc xạ quan

hệ với tia tới như sau :

-Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp

tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới)

Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy :

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

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

hơn

Trường hợp n1 > n2, nếu tăng θ1 thì θ2 cũng tăng và θ2 luôn lớn

hơn θ1 Khi θ2 = 900, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì θ1

được gọi là góc tới hạn : θth ; nếu tiếp tục tăng θ1 > θth thì không còn tia

khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6) Hiện tượng này được gọi là sự

n

n Sin θth = θth =

Hình 1.6 Sự phản xạ toàn phần

1.2.2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo

gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ phản

xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 (hình 1.7),

ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi phản xạ 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 1.7 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở

đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn θth (hình 1.8) Sin của góc tới hạn này được

gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA :

NA = Sin θth

Hình 1.8 Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau

Áp dụng công thức Snell tính NA :

Tại điểmA đối với tia 2 :

nosinθmax = n1sin(900 - θth)

mà n0 = 1 (chiết suất của không khí

sin (900 - θth ) = cosθth )

2 2

1

2 2 2

1

2 2

2 1

n n n

∆ : độ lệch chiết suất tương đối

Độ lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013

(tức là từ 0,2% đến 1,3%)

1.2.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết

suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có 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 sơi ra) Sự

biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau,

và đường biểu diễn như trên hình 1.9

1[1 [ ] ]

n

a

r n

n

n

n −

=

∆ : độ chênh lệch chiết suất

r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất

a : bán kính lõi sợi

b : bán kính lớp bọc

g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g ≥ 1

Các giá trị thông dụng của g :

g = 1 : dạng tam giác

g = 2 : dạng parabol

g →∞ : dạng nhảy bậc

Hình 1.9 Các dạng phân bố chiết suất

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 nhau sẽ truyền theo những đường

khác nhau như hình 1.10

Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI)

Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài

đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng 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, là hiện tượng tán sắc

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 giảm dần

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol

a r a

r n

n r

;

;])(1[

1

2

1 2 1

)

(

Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong

lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau :

Hình 1.11 Truyền ánh sáng trong sợi GI

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau

nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường

truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia

truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ

hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất Nhưng đi với

vận tốc 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 1 km chỉ khoảng 0,1ns

Cần lưu ý rằng góc mở θ ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r

vì n1 là hàm n1(r)

NA a

r NA

n r n

Trên trục sợi : r = 0 thì θ(O) = θmax

Trên mặt giao tiếp r = a thì θ(a) = 0

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến Ngoài ra còn một

số dạng chiết suất khác nằhm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như :

*Dạng giảm chiết suất lớp bọc : (Hình 1.12.a)

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn

phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này tang suy hao Dạng giảm chiết suất

lỡp bọc nhằm đảm bảo độ lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1

không cao

*Dạng dịch độ tán sắc : (Hình 1.12b)

Như đã biết, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang sẽ triệt tiêu ở bước

sóng gần 1300 nm 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 hình

1.12b

*Dạng san bằng tán sắc

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, như hình 1.12.c

Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong thí

nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

Hình 1.12 : Các dạng chiết suất đặc biệt

1.2.4 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 Thường thường lý thuyết tia sáng 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 Mode

là một trong những khái niệm đó

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 định biểu

thức sóng truyền trong nó Dựa trên biểu thức sóng đã xác định có thể

phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng

Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải

phương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả có

liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong

sợi Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định

của các đường này được gọi là những mode Có thể hình dung gần đúng

một mode ứng với một tia sáng Các mode được ký hiệu LPVµ với v = 0,

1, 2, 3, và µ = 1, 2, 3, Mode thấp nhất là LP01

Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi,

trong đó có thừa số V

NA a k NA a

N

Trong đó : V : là thừa số v

g : là số mũ trong hàm chiết suất

Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI) với g → ∞

V

Số mode truyền trong sơi này là :

247 4

4 , 31 4

2 2

≈

=

=V

N

Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và sợi

chỉ truyền một mode được gọi là sợi đơn 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

(50/125 µm) là :

-Đường kính lõi : d = 2a = 50µm

-Đường kính lớp bọc : D = 2b = 125µm

-Độ lệch chiết suất : ∆ = 0,01 = 1%

-Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46

Nếu làm việc ở bước sóng λ = 0,85 µm thì :

38 2 2

π

Và số mode truyền được trong sợi là : (Nếu là sợi SI)

726 2

1.2.4.2 Sợi đơn mode (Sµ) : single mode)

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản (LP01)

truyền được trong sợi thì gọi là sợi đơn mode 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 truyền trong sợi nên độ tán sắc do

nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết

-Chiết suất lõi : n1 = 1,46

Hình 1.14 Kích thước sợi đơn Mode

Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode và đơn mode sẽ được phân

tích ở phần sau, ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này

Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể

cả loại sợi GI), đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn

mode rất thấp ( ~ 0); Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì

kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và có thiết bị hàn

cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode được dùng phổ

biến

CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG

2.1 SUY HAO TRONG SỢI QUANG

2.1.1 Định nghĩa :

Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý với quy

luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Biểu thức tổng quát của hàm

số truyền công suất có dang :

10 , ) 0 ( )

Trong đó : P(()) : là công suất ở đầu sợi (L = 0)

P(L) : là công suất ở cự ly L (km) tính từ đầu sợi

α : là hệ số suy hao

Hình 2.1 Công suất truyền trên sợi quang

-Độ suy hao được tính bởi :

2

1 lg 10 )

(

P

P dB

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

P2 = P(L) : là công suất ra ở cuối sợi

-Hệ số suy hao trung bình

) (

) ( ) /

(

km L

dB A km

α

Trong đó : A : là suy hao của sợi

L : là chiều dài sợi

Về nguyên lý 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

2.1.2 Đặc tuyến suy hao

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại sợi

nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung Một đặc tuyến

điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau :

Hình 2.2 Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode

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 số 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 - 3 dB/km Ngày nay bước

sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất

-Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm : suy hao ở bước sóng này

tương đối thấp khoảng 0,4 - 0,5 dB/km Đặc biệt, ở bước sóng này có độ

tán sắc rất thấp nên đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

-Cửa số 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 ở bước sóng

1300 Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt, có thể giảm

độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có được

cả hai điểm : suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bước sóng 1550 nm sẽ được sử

dụng rộng rãi trong tương lại, nhất là các tuyến cáp quang thả biển

2.1.3 Các loại suy hao trong sợi quang

2.1.3.1 Suy ao do hấp thụ :

*Do tự hấp thụ (hấp thụ 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 quang 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 nhỏ, 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 hoá thành nhiệt năng

Thuỷ tinh silica (SiO2) hiện nay được sử dụng để chế tạo sị quang

có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại 10µm đến 20

µm, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thông tin quang là từ

0,8µm đến 1,6µm hoặc trong vùng lân cận

Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng hấp thụ hồng ngoại cũng còn ảnh

hưởng suy hao ở các bước sóng gần phía trên bước sóng 1,6µm Người ta

thấy rằng từ bước sóng 1,6µm trở lên thì suy hao tăng rất nhanh theo bước

sóng

Như vậy, bản thân thuỷ 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 2.3 Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh

hứng sử dụng các bước sóng dài trong thôn tin quang

Hình 2.3 Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại

*Do tạp chất kim loại :

Trong thực tế , vật liệu chế tạo không hoàn toàn tinh khiết mà có

lẫn các ion kin loại như : Fe, Cu, Cr, Mn, Ni, 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 1,3µm và 1,55µm

nhưng suy hao ở các bước sóng này lại rất nhạy cảm với sự không tinh

khiết này của vật liệu

Muốn đạt được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có

thuỷ tinh thật tinh khiết với nông độ tạp chất khong qua 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 của ion

OH- chủ yếu ở bước sóng 2700nm nằm ngoài vùng bước sóng dùng trong

thông tin quang từ 8500nm đến 1600nm Ngoài ra, độ hấp thụ tăng vọt ở

các bước sóng 950nm, 1250nm và 1383 nm

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 dươi 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

Nguyên nhân gây suy hao do tán xạ là chủ yếu do tán xạ Ray leigh

và do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo :

*Tán xạ ray leigh :

Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp

những chỗ không đồng nhất sẽ xẩy ra hiện tượng tán xạ Những chỗ

không đồng nhất trong sợi quang đó cách sắp xếp của các phân tử thuỷ

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 sẽ toả ra nhiều hướng chỉ một phần năng lượng ánh

sáng truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo các hướng khác nhau,

thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang

Một đặc điểm quan trọng của tán xạ Rayleigh là tỷ lệ nghịch với luỹ

thừa bậc 4 của bước sóng (λ-4) nên giảm rất nhanh về phía trước sóng dài

như hình 2.4

αTX (λ) = αTX(λ) ( 0)4

λ λ

Trong đó : αTX (λ0) : là hệ số tán xạ tại bước sóng mẫu λ0 xác định

theo vật liệu chế tạo sợi

Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silica

khoảng 1 - 2 dB/km và ở bước sóng 1300 nm suy hao chỉ khoảng 0,3

dB/km Ở bước sóng 1550nm suy hao còn thấp hơn nữa

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

Khi tia sáng truyền đến những chố không hoàn hảo giưa 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

Suy hao bức xạ xuất hiện bất cứ khi nào khi sợi quang bị uốn cong

với một bán kính cong xác định Có hai loại uốn cong, uốn cong với bán

kính lớn so với đường kính sợi khi cáp quang được uốn theo góc và uốn

cong khi sợi đực bện lại thành cáp

* Vì uốn cong (Micro bending) : khi sợi quang bị chèn ép tạo nên

những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong chừng vài mm) thì suy hao

của sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục

khi đi qua những chỗ bị uốn cong đó Một cách chính xác hơn sự phân bố

trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ bị uốn cong và dẫn tới một phần

năng lượng ánh sáng phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi trong lớp bọc và suy giảm

dần theo hàm số mũ Độ lớn suy hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép Đặc

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

sóng dài

*Uốn cong (Macro bendding)

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao

càng tăng (như hình 2.5) Dĩ nhiên, không thể tránh 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 uốn cong

không đáng kể Người ta quy định bán kính uốn cong tối thiểu R là :

2

3 2 2

2 1

2 1

) (

4

3

n n

n R

−

=

π

λ

Do đó cần chú ý đến bán kính uốn cong tối thiểu của sợi để không

tăng suy hao Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông

Hình 2.5 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R

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

) ( 2

2 log 10

Khoảng cách giẵ hai trạm thông tin quang thương dài hơn chiều dài

một cuộn cáp và nhất thiết 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 là : chất lượng mặt cứt ở đầu sợi quang : vị trí tương

đối giữa hai đầu sợi quang; thông số của hai sợi

Suy hao của mối hàn trước tiên phụ thuộc vào công việc chuẩn bị

nối, thông qua chất lựơng của mặt cắt sợi quang Các yêu cấu đối với mặt

cắt là :

*Mặt cắt phẳng, không mẻ, không lồi ở mép

*Măt cắt không được dính bụi, các chất bẩn

*Mặt cắt phải vuông góc với trục của 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

Nếu hai sợi được chuẩn bị cẩn thận, điều chỉnh chính xác nhưng có

thông số khác nhau thì suy hao hàn nối vẫn cao Do khác biệt các thông

số sau sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn

-Đường kính sợi

-Độ méo elíp

-Khẩu độ : Số (NA) hay góc mở đầu sợi

NA = Sin θmax = n1 2 ∆

2.2 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG

2.1 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 dãn 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

dãn xung dãn 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 ánh sáng phát đi

*Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm

nhỏ (tới giá trị AE trên hình 2.6b) và có hiện tượng dịch pha Độ rộng

băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn

0 t 0 t

Hình 2.6 ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog(b)

(s chỉ tién hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu)

a) dãn xung ; b )sự biên độ

2.2.2 Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc

độ truyền dẫn bít

Ở đây xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu digital

Một cách gần đúng, coi xung phát có độ rộng τS và xung thu có độ rộng τE

có dạng theo auy luật phân bố Gauss (xung hình chuông) Độ rộng xung

tính ở mức biên độ bằng một nửa biên độ lớn nhất (hình 2.6) là

Khi thu về xung bị dãn rộng do tán xạ với độ dãn rộng (thời gian)là

có τ được tính theo công thức :

2 2

S

E τ τ

Trường hợp xung phát rất hẹp, τS < τE thì có thể coi gần đúng τ ≈

τE/

Độ dãn xung τ theo công thức trên thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu

do sợi quang gây ra, và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và

tốc độ truyền dẫn bít

Trường hơph công suất ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi

quang được coi gần đúng như bộ lọc thấp với hàm truyền đạt Gauss Hàm

truyền đạt biên độ là :

2

2 5 , 3

~

~ )

(

) 0 (

)

f P

f P

=

Với P~(f) là công suất xoay chiều ở tần số f

Đồ thị hàm truyền đạt biên độ được miêu tả ở hình vẽ sau :

1

0

B fB

Hình 2.7 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang

Xác xung ánh sáng có phân bố Gauss truyền đưa qua sợi quang thì

biên độ giảm theo quy luật

2 2

36 , 0

Khi biên độ của hàmn H(f) giảm còn một nửa biên dộ lớn nhất

(tương ứng giảm 3 dB), người ta nhận được tần số fB (ở mức 3dB) và

định nghãi độ rộng bằng truyền dẫn B = fB) (Từ f = 0 đến f = fB) Thay

giá trị H(f) = 0,5 vào phương trình (2.2) nhận được b :

τ τ

44 , 0 26

Trong thực tiễn, nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động gây

méo xung thể hiện qua các giá trị dãn xung thành phần τ1 , τ2 ., thì có

tán xạ tổng cộng thể hiện là tổng :

τ = τ1 + τ2 + (2.5)

Nếu tương ứng với τ1 , τ2 có các giá trị B1, B2 thì độ rộng băng

truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán xạ

khác nhau là B và tính theo công thức :

1 1

1

2 2

2 1

2 + + +

b B

Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng

truyền dẫn của sợi quang là tốc đô bít có thể truyền lớn nhất : C(bit/S)

Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng,

nhưng hai xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung τ còn nhỏ

hơn độ dãn xung τS của xung phát đi, từ đó tốc độ bít là :

B B

C= 1 = 2 , 26 ≈ 2

Như vậy độ dãn xung τ , độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ

bít C có quan hệ ảnh hưởng nhau Để truyền được 2 bit/s theo (2.7) cần có

độ rộng băng tần khoảng 1HZ Trên thực tế để truyền được 2 bít/s cần độ

rộng băng khoảng 1,6 Hz Do đó trên thực tế có thể coi rằng tốc độ

truyền bít lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn

Muốn có sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bít lớn thì phải

giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung τ bé

nhất

2.2.3 Các loại tán xạ

2.2.3.1 Tán xạ vật liệu :

Vì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước

sóng của tín hiệu lan truyền, tức là n = n(λ) Nếu nguồn bức xạ phát ra

sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng λo thì không có hiện tượng

lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng Vì

chúng lan truyên theo cùng vận tốc

Thế nhưng các nguồn phát quang như LED hoặc đio laser thường

không chỉ bức xạ ra mỗi vạch phổ ứng với bước sóng λo ở mức biên độ

0,5 như hình 2.8 Trong đó, phổ của diod phát quang LED là phổ liên tục

gồm vô số vạch phổ, còn trong đường bao phổ của diode laser cũng gồm

một số vạch phổ nằm giữa hai bước sóng rìa là :

22

1 λ

λ

n

C Vph

Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm ng(λ) :

) 2 ( ) 2 ( )

1 ( )

1

(

λ

λ λ

λ

g

C Vg

va n

) ( ) ( ) ( ) (

1 1

λ

λ λ

λ λ

d

dn n

C n

C Vg

=

=

Nếu ng(λ2) > ng(λ1) thì ta có Vg(λ1) > Vg(λ2), do đó khi truyền dẫn

qua đoạn sợi quang dài L thì hai xung ánh sáng ứng với (λ1) và (λ2) có

thời gian truyền nhóm tg1 và tg2 lệch nhau ∆tn :

L D

L C

odn

) (

2

1 λ λ λ λ

0 ) ((

2 1 max

λ

λ λ

C

dn D

Với đơn vị đi là PS/km.nm

Hệ số tán xạ vật liệu Dmax phụ thuộc vào loại vật liệu, cho biết thời

gian lan truyền xung ánh sáng trên một km sợi quang với phổ bức xạ của

nguồn quang rộng 1nm Khi d2n1/dλmang giá trị (+) thì những thành phần

bước sóng dài hơn trong dải ∆λ sẽ truyền nhanh hơn thành những thành

phần bước sóng ngắn hơn và ngược lại Chính sự chênh lệch này sẽgây ra

méo xung

Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào máy thu chính là độ lệch thời gian

truyền nhóm :

τ = | ∆tn| = ∆λs ∆ λ L = τt.L

Trong đó τ’ là dãn xung khi truyền qua độ dài 1km

Vì độ dãn xung τ (tán xạ) gây nên méo truyền dẫn, nên nó vừa hạn

chế cự ly truyền dẫn vừa hạn chế băng truyền dẫn, nên để đánh giá năng

lực truyền dẫn của các loại sợi quang có tán xạ, người ta đưa ra đại lượng

đặc trưng là tích số độ rộng băng truyền và cự ly truyền dẫn BL :

'.26,2

1

.26,2

1

λ

Trong đó : λ, f là bước sóng trung tâm và tần số của ánh sáng; ∆λs,

B là độ rộng của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế Vì vậy, dù

trong trường hợp lý tưởng khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng O,

độ rộng tương đương của bước sóng điều chế phải được chú ý tới hai

trường hợp đặc biệt của tán xạ vật liệu :

*Khi độ rộng phổ nguồn ∆λs của nguồn sáng là lớn :

Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các loại đio LED khi dùng

làm nguồn sáng thì sẽ có độ rộng phổ nguồn ∆λs lớn Điều này dẫn đến

∆λs/∆λ >> B/f Như vậy ∆λs ≈∆λ và do đó trễ nhóm ∆τn sẽ được quyết

định chủ yếu bởi ∆λs Phương trình liên hệ độ rộng băng tần B và (∆τn)

| n

A B

d

n d C A

2

|

λλ

*Khi độ rộng phổ nguồn ∆λs nhỏ :

Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một mode đơn và một mode

đơn dọc, thì ∆λs có thể nhỏ hơn 0,01nm Vì vậy :

-Nếu băng tần điều chế cỡ khoảng vài GHz thì ta có

f

B s

2

2

|

d

n d C f L

B

Như vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với

L

Sự phân bố của trường và hằng số truyền lan của các mode phụ

thuộc vào tỷ số của đường kính ruột ra và bước sóng công tác λ (tỷ số

ra/λ) Khi đường kính ruột ra của một loại sợi không đổi, các mode truyền

lan 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

của sợi quang Như thế xung thu bị dãn rộng phụ thuộc vào bước sóng

Đối với sợi đa mode do đươừng 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 khá

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

d V n C

L g

2

2( 1 )1

V

n k a

khoảng 0,1 ÷ 0,2

Đối với tán xạ dẫn sóng, ở xung quanh bước sóng 0,85µm (cửa sổ

truyền dẫn thứ nhất) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bước sóng, giống

như tán xạ vật liệu, do đó hai tán xạ này đều dương (cùng làm dãn rộng

xung ánh sáng) Nhưng độ lớn của tán xạ dân sóng nhỏ hơn một bậc so

với tán xạ vật liệu Ở bước sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu, ở

bước sóng 1,25µm thì tán xạ dẫn sóng trở lên có độ lớn đáng kể so với tán

xạ vật liệu tới bước sóng 1,27µm chúng sẽ có dấu hiệu khác nhau và sẽ

làm suy giảm lẫn nhau tới O

Hinh 2.9 Sự phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác

nhau

2.2.3.3 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 (dãn 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

Để có thể hiểu hiện tượng một cách tương đối đơn giản, người ta sử

dụng phương pháp tia, coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưng nhờ một

tia sáng Sợi quang được coi là lý tưởng, không gây ra hiện tượng trộn các

mode với nhau, và coi chiết suất của sợi không phụ thuộc vào bước sóng

Trong sợi SI, các tia sáng ứng với mỗi mode chạy theo các đường

rích rắc với độ dàI khác nhau, trong đó tia sáng song song với trục quang

có độ dàI ngắn nhất Vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo ruột không

thay đổi, nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần là như nhau

Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là rất khác nhau Các

tia đến đầu cuối sợi không cùng một lúc, mà có sự chênh lệch thời gian,

gây ra dãn xung Thời gian lệch giữa tia sáng nhanh nhất và chậm nhất

được tính như sau :

Hình 2.10 So sánh tia dàI nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI

-Tia 1 : tia dàI nhất, có độ dàI :

1cos

1

θ

L

-Tia 2 : tia ngắn nhất , có độ dàI d2 = L

Thời gian truyền của tia 1 :

1

(1cos.1

1

1cos1

1

n

C V C

Ln n

C

L V

1

n C

Ln

Thời gian truyền của tia 2 :

C Ln n

C

L V

2

2 1 2

n C

L

t

n

n n n C

L C

n L n C

n L t t

t

Trong đó

2

2 1

n

n

=

∆ : độ chênh lệch chiết suất

Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi cũng chính là độ trảI xung do

tán sắc mode.ư = ∆ = ∆

C

n L

t

Ví dụ với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) có n1 = 1,458 và ∆ = 1%, độ

tán sắc mode là :

km s s

km L

t

/10.3

458,1

Đối với sợi có chiết suất giảm dần (GI) độ trảI xung do tán sắc

mode nhỏ hơn so với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) :

8

2 1

t d

Tổng quát, độ tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất

của sợi đa mode thông qua số mũ trong biểu thức hàm chiết suất :

a r a

r n

1 1 ))

(

Sự phụ thuộc của mode vào số mũ g được biểu diễn theo hàm trên

Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi g ~ 2 và dmod tăng khá nhanh khi g

có giá trị khác 2 về hai phía Đây là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt

trong quá trình chế tạo sợi GI

Ảnh hưởng của tán xạ mode tới băng tần truyền dẫn của sợi quang :

Giả thiết rằng không xẩy ra trộn mode, thời gian trễ nhóm ∆τ trong

một sợi đa mode do sự khác nhau giữa vận tốc nhóm của mode cơ bản và

mode có số mode N lớn nhất được cho bởi :

τ

Với Vgo , VgN : là vận tốc nhóm của mode cơ bản, và mode N

L : là chiều dàI sợi quang Độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi

tương ứng với trễ nhóm này được định nghĩa bằng :

Với A là hằng số liên hệ giữa B và ∆τ, phụ thuộc vào đặc đIểm của

phía thu Từ hai công thức trên ta có tích số BL :

|11

|

gN

go V V

A BL

−

=

Đối với sợi grandiert có phân bố chiết suất thay đổi thì hệ số mũ α,

với giả thiết tất cả các mode truyền dẫn (0
N) có cùng công suất, tích số

BL được tích bởi :

1 2 2

2 2

1

)(1

1)

2(2

2231

12

2

∆+







+

+

∆+

−

−+







+

n n

C

BL

α α α

α

α

ελ

α

εα

với =− ∆ ∆λ

λε

d

d

2 , N là số mode

Áp dụng cho tán xạ mode trong sợi chiết suất bậc Đặt λ = ∞ trong

công thức và N = Nm thì độ rộng trễ nhóm ∆τm giữa hai mode xa nhau

nhất sẽ là n1.∆L/C Do đó băng thông B = A/∆τm được cho bởi :

BL

Trong trường hợp sợi grandient thuỷ tinh silic, khi thay giá trị α = 2

là giá trị tương ứng với tạn xạ do mode bé nhất tích số :

2 1

.2

∆

=

n

C A BL

So sánh hai tích số BL trên ta có thể thấy rằng băng thông của sợi

grandient lớn hơn băng thông của sợi chiết suất bậc 2 là 2/∆ lần