Nghiên cứu cáp sợi quang

hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng

TRƯỜNG ĐHKTCN THÁI NGUYÊN

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MễN H ỌC THễNG TIN QUANG Họ và tờn sinh viờn:

MSSV:

Ngành:……… Khoỏ: 2004 –

2009………

Giảng viên hướng dẫn:.Th.S Đào Huy Du Giảng viờn nhận xột:

1 Nội dung đồ án:

2 Nhận xột của giảng viờn:

Ngày tháng năm Giảng viờn nhận xột Mục lục Trang LỜI NÓI ĐẦU……… 6

Chương 1 CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG………7

1.1 Lịch sử phát triển………7

1.2 Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản………9

1.3 Ưu điểm của thông tin quang……… 11

Chương2 SỢI QUANG……… 12

2.1 Những ứng dụng của sợi quang……….12

2.2 Ưu điểm của thông tin sợi quang……… 13

2.3 Lý thuyết chung về sợi dẫn quang………14

2.3.1 Phổ của sóng điện từ………14

2.3.2 Chiết suất của môi trường………17

2.3.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần……… 17

2.4 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang………18

2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung……….18

2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang……… 20

2.5 Phân loại sợi quang……… 23

2.5.1 Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI) ……… 24

2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index)………24

2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index)… 25

2.5.2 Các dạng chiết suất khác:……… 26

2.5.3 Sợi đa mode và đơn mode……….27

2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):……….27

2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):……… 28

2.6.Các thông số của sợi quang………29

2.6.1 Suy hao của sợi quang:……… 29

2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:……… 31

2.6.2.1 Suy hao do hấp thụ:……… 31

2.6.2.2.Suy hao do tán xạ:……….32

2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong……… 33

2.6.2.4.Một số suy hao khác……….34

2.6.2.5 Đặc tuyến suy hao……… 35

2.6.3.Tán sắc (Dispersion)……… 36

2.6.4 Các nguyên nhân gây ra tán sắc………38

2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)………38

2.6.4.2.Tán sắc vật liệu……….40

2.6.4.3 Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng:……… 41

2.6.4.4 Độ tán sắc tổng cộng……… 42

2.6.4.5 Tán sắc bậc cao……….…43

2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực……… 43

2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt……….45

2.6.5.Dải thông của sợi quang……… 46

2.6.6 Bước sóng cắt……….48

2.6.7 Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter)………… 48

2.7.Cấu trúc sợi quang……….49

2.7.1 Cấu trúc của sợi quang………49

2.7.1.1.Lớp phủ……… 50

2.7.1.2.Lớp vỏ……….50

2.7.2 Yêu cầu đối với sợi quang……… 52

2.8 Các phương pháp chế tạo sợi quang……… 53

2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi……… 53

2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang……….54

2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi………54

2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển……….54

2.8.3.2.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible)……….55

2.8.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất……….56

2.8.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition- CVD) ……… 56

2.8.3.3.2.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD)………58

2.8.3.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition- OCVD)……….59

2.8.3.3.4.Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition- VAD)……….59

2.8.4.Quỏ trỡnh kộo sợi……… 59

2.8.5 Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới……… 60

2.9 Hàn nối sợi quang……….61

2.9.1 Yêu cầu kỹ thuật ………61

2.9.2.Các phương pháp hàn nối sợi quang………62

2.9.2.1 Phương pháp dùng keo dính……… …62

2.9.2.2.Phương pháp dùng hồ quang……… 63

2.9.3.Bảo vệ mối nối……… 65

Chương 3 CÁP QUANG……… 67

3.1 Tổng quan……….67

3.1.1 Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang ……… 67

3.1.2 Khả năng của sợi và cáp quang……… 67

3.2 Cấu trúc cáp quang……… ….68

3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang………69

3.2.1.1.Phần lõi……… 70

3.2.1.2.Vỏ cáp……….…73

3.3.Phân loại cáp quang:……… …74

3.3.1 Phân loại theo cấu trúc:……… 74

3.3.2 Phân loại theo mục đích sử dụng………75

3.3.3 Phân loại theo điều kiện lắp đặt……… 75

3.3.3.1.Cáp treo……… 76

3.3.3.2.Cáp đặt trong cống……… …76

3.3.3.3 Cáp chôn trực tiếp……… 77

3.3.3.4.Cáp đặt trong nhà………78

3.3.3.5 Cáp ngập nước và thả biển……….78

3.4 Mã màu trong cáp……….…79

3.5 Đo thử cáp quang và đo bảo dưỡng……… 81

3.5.1.Khái quát……… 81

3.5.2 Mục đích của đo thử………82

3.5.3.Đo thử bảo dưỡng……….…83

3.6.Các biện pháp bảo vệ cáp quang………84

3.6.1 Độ chôn sâu cáp……… 84

3.6.2 Chống mối và chống chuột……….86

3.6.3 Chống ảnh hưởng của sét………86

Tài Liệu Tham Khảo……….…87

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện này các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu hết cỏc tuyến truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng

nổ thông tin, mạng truyền dẫn đũi hỏi phải cú sự phỏt triển mạnh về cả quy mụ và trỡnh độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thông tin quang Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, độ tin cậy cao…

Trong toàn bộ hệ thống thụng tin quang phần không thể thiếu được chính là Cỏp Sợi Quang Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống khác một phần chính

là nhờ môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Vỡ vậy, em đó chọn đề tài Cỏp Sợi Quang làm đồ án nghiên cứu giúp em tỡm

hiểu sâu hơn

Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thõn cú hạn chớnh vỡ vậy đồ án của em không thể tránh được những thiếu sót Nên em mong các thầy cô trong bộ môn và các bạn trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài sâu hơn và phát triển đồ án ở mức cao hơn nữa

Trong quỏ trỡnh làm bài, em đó được nhận được sự hướng dẫn chi tiết của thầy Đào Huy Du và góp ý của cỏc bạn trong lớp Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ

nơi này đến nơi khác.Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm Km, hàng trục ngàn Km hoặc xuyên qua các đại dương.Thông tin có thể truyền qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau

Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền tin Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàng khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thế giới

1.1 Lịch sử phát triển

Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết định góp phần thúc đẩy

sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn minh của nhân loại

Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử dụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và không gian.Thì việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng được khai thác có hiệu quả Cùng với thời gian thông tin quang đã phát triển và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử như sau:

-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó Tin tức vượt qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút

-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Điều vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay

-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin Photophone Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu

- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang

Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn

- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, 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 GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng 1000dB/Km)

- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm

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

- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ

Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn khoảng 0,2 [dB/km] ở bước sóng 1550nm

1.2 Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản

Theo sơ đồ hệ thống ta có:

- Nguồn tín hiệu thông tin: là dạng thông tin thông thường là hình ảnh , tiếng nói , fax hay còn là tín hiệu đầu vào

- Phần tử điện: là phần chung của hệ thống, để xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu điện đưa vào

hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu Alalog hoặc Digtal

Sợi quang

Trạm lặp

E O

O E

Nguôn

tín

hiệu

Phần tửđiện

Phần tửđiện

- Bộ biến đổi E/O: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu điện được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện ‘0’và

‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘không’ và ‘có’

Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như LED,Laser diode

- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được điều biến, nó có vai trò như kênh truyền dẫn

- Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu đã phát đi, nó có vai trò như bộ giải điều chế

-Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, tín hiệ trên đường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy, để truyền được đi xa cần có trạm lặp Hiện nay chưa thực hiện được khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bước sau:

+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện

+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện

+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang

để tiếp tục phát đi

- Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần số rất cao (1014-1015Hz) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng

- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đại lượng:

+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được

+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp

Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly trạm lặp rất lớn Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống điện ở cả 2 yêu cầu trên Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu tố liên quan như:

+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang

+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang

+ Độ nhạy của máy thu quang

+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến

1.3 Ưu điểm của thông tin quang

So với hệ thống thông tin điện tử thì hệ thống thông tin quang có những ưu điểm hơn hẳn đó là những ưu điểm cơ bản như sau:

1 Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm được trạm lặp , kéo dài được cự ly truyền dẫn, cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng nên

2 Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng được thuê bao dịch vụ dải rộng

3 Sợi quang: được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong

4 Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt và bảo dưỡng Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy

5 Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm Nó được sử dụng tại những nơi có nhiễu điện từ mạnh như trong các nhà máy, nàh máy điện…mà không cần phải che chắn điện từ

6 Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một số lượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại

7 Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thông tin trên sợi quang là rất khó khăn

Tuy nhiên hệ thống thông tin quang có một số hạn chế như:

+ Khó khăn trong việc ghép nối,

+ Không sử dụng được trong vùng bị chiếu xạ

Chính vì có những ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được sử dụng rộng rãi trên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia Chúng được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh Tại Việt Nam cáp quang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫn đường dài liên tỉnh dùng cáp ngầm.

Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lưới viễn thông

Chương2

SỢI QUANG

2.1 Những ứng dụng của sợi quang

Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn

quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lượng kênh truyền, tính kinh tế,…mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến xuyên đường trục avf các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương Công nghệ nagỳ nay đã tạo ra thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất

Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn giản việc tăng chiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần Chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể

Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng, các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội – Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc

Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến đường trục cáp quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt

* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

- Mạng đường trục xuyên quốc gia

- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu, mạng LAN

- Mạng truyền hình

2.2 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 do đó giảm được số trạm tiếp vận

- Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao

- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ

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

- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ

- Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể

- Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên

- Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng dung lượng

và cự ly

2.3 Lý thuyết chung về sợi dẫn quang

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser Ba vấn đề sau sẽ là cơ

sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thông tin quang:

1 Phổ của sóng điện từ

2 Chiết suất của môi trường

3 Hiện tượng phản xạ toàn phần

2.3.1 Phổ của sóng điện từ

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng hoặc hạt (photon) Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được sinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng Hai đại lượng tần số và bước sóng tỷ lệ với nhau theo công thức:

C(m/s)=λ(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.fTrong đó :

C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]

H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm

Hình 2.1: Các bước sóng trong thông tin quang

Tia töngo¹i

Tia R¬nghe n

Tia Gamma

Tia

Vò trô

T ia hång ngo¹i

Hình 2.2 Tần số và bước sóng dùng trong Thông tin quang

Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng lớn thì độ suy hao càng lớn Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình 2-7) và đặc biệt ở bước sóng 1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km Như vậy là vấn đề suy hao được giải quyết nên ở

ba bước sóng đó hiện nay đang được dùng rộng rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm

Cùng đó ta đã khai thác thêm được các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác được các ưu điểm của cáp sợi quang.

2.3.2 Chiết suất của môi trường

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

V

C

n = trong đó : n : Chiết suất của môi trường

V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường

Mà C ≥ V nên n ≥ 1

Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó

2.3.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) như hình vẽ sau:

Hình 2.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc α, khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P ở một góc β Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:

Góc αt được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc α >αt thì tia phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1

Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n1) sang môi trường kém chiết quang hơn (n2) Hay là Chiết suất n1 > n2

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

2.4 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung

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 bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với

n1> n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc

Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:

+ Chiết suất n1 > n2

+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.

Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2 Vậy chỉ còn điều kiện là góc tới αt phải lớn hơn góc tới hạn αth (αt >αth) Nên người ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu

độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi

Áp dụng công thức : Snelious để tính N:

n0Sinαth=n1.Sinβ (n0=1 : chiết suất của không khí)

⇒ 1.Sinαth=n1.Sinβ=n1Cosα1

(Sinβ=Sin(900-αt)=Cosαt)

∆

=

−

= α

⇒

−

= α

−

= α

2 n n n Sin

NA

n n n

n 1 n Sin

n

n 1 Sin

1 Cos

1

2 1

2 2 th

2 1

2 2 2 1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

1

2 2

2

1

n.2

n

n −

=

∆ gọi là độ lệch chiết suất tương đối

Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở

∆

=

αth arcsin n1 2

2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang

Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng Một mode được hiểu là một trạng

thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng và số lượng các mode có quan

hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang

Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và các mode lan truyền có những đặc tính sau :

- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng

- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng

Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn λg sao cho các bước sóng của các mode đều phải tuân theo điều kiện λ > λg

Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/λ nên dk lớn hơn λ

nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dk rất nhỏ thì chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode) Người ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá:

∆α

π

= .d .n 2

Với sợi SI, nếu V<2,405 thì người ta có đơn mode, ngược lại là sợi mode Còn sợi

GI, nếu V<3,518 có sợi đơn mode, V>3,518 ta có sợi đa mode

Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền sóng Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc của sợi

Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn mode(c)

Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau

và có một mode chạy song song trục có quãng đường đi ngắn nhất (c) Ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa góc mở αth

2

2 1 1

k

405 , 2

n d M

= α

= α

Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinαth

Như vậy sợi SI có NA = n − n 2 = n1 2 ∆

2 2 1Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2÷0,37

a

r ( 1 n

Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại.

Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan truyền đến cuối sợi Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện tượng giao thoa

Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì

sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode

Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường

độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định

Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định

2.5 Phân loại sợi quang

Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà phân biệt thành các lại sợi khác nhau

Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

- Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc

- Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại theo mode truyền dẫn

- Sợi đơn mode

- Sợi đa mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

- Sợi thuỷ tinh

- Sợi chất dẻo

- Sợi thuỷ tinh đa thành phần

Phân loại dựa theo các chức năng đặc

biệt

- Sợi lỗ không khí

- Sợi duy trì phân cực

2.5.1 Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)

2.5.1.1.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 vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

Hình 2.5 Sợi SI (Step-Index)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

1

n C

- Số lượng mode truyền M ≈ V2/2 trong đó V = 2π.a.NA/λ

- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng thông tin của sợi

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiên tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Hình 2.6 : Sợi GI ( Građe - Index)

- Mặt cắt chiết suất:

Trong đó :a - bán kính lõi, α là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết suất trong lõi,

α = 2 tơng ứng với mặt cắt parabol

2.5.2.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 đấp ứng các yêu cầu đặc biệt:

a.Dạng giảm chiết suất lớp bọc:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết

suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao

;)1(

ar

;)/(1)

(

2 1

1

n n

a r n

r n

α

α

) / ( 1 )

( )

2

n r

b Dạng dịch độ tán sắc:

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

c) Dạng san bằng tán sắc:

Với mục đích 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 hình vẽ:

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

2.5.3 Sợi đa mode và đơn mode

2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):

Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lan truyền cho phép)

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50µm

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

- Độ chênh lệch chiết suất: ∆= 0,01 = 1%

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

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):

Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kín lõi và

sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi Kích thước đường kính lõi sợi khoảng vìa bước sóng.Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Đặc điểm của sợi đơn mode:

- Mặt cắt chiết suất thờng có dạng SI

- Kích thớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ

- Sợi chỉ truyền một mode

- Không có tán sắc mode

- Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng

- Điều kiện đơn mode V < 2,405

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Đường kính lõi: d = 2a =9µm ÷ 10µm

Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

Độ lệch chiết suất: ∆ = 0,003 = 0,3%

Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, 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 lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

2.6.Các thông số của sợi quang

2.6.1 Suy hao của sợi quang:

Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo định luật Beer

Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

Trong đó:

P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0)

P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

α: hệ số suy hao

z

P z

) (

Độ suy hao được tính bởi:

Trong đó :

P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

Trong đó:

A: suy hao của sợi

L: chiều dài sợi

2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:

Công suất truyền trong sợi bị thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sự tán xạ ánh sáng

và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong

2.6.2.1 Suy hao do hấp thụ:

Gồm 2 loại chính:

+ Hấp thụ ngoài

+ Hấp thụ thuần

* Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất

- Sự hấp thụ của các chất kim loại: Các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).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 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

2

1lg10)

(

P

P

dB =Α

) (

) ( )

/ (

Km L

dB Km

α

- Sự hấp thụ của OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một trong nhưng 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

Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 µm và các đỉnh hấp thụ điều hoà và

tổ hợp của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 µm

* Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi.

- Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình sản xuất sợi

Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất n

cỡ < bớc sóng λ⇒ Tán xạ Rayleigh

* Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ 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 vỏ bọc và bị suy hao dần

* Tán xạ Raylegh:

-Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng

thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng Và tỷ lệ

nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài

Hình 2.7: Suy hao do tán xạ reyleigh

αR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 µm

2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra suy hao

Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi:

+ Uốn cong vĩ mô

+ uốn cong vi mô

* Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn

đường kính sợi

- Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ

- Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi thẳng

Số lượng mode hiệu dụng:

* Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên

- Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều lên

bề mặt

- Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme

- Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4

2.6.2.4.Một số suy hao khác

- Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang

- Suy hao do hàn nối

- Suy hao trong môi trờng hidrogen và chiếu xạ gamma

3 2

2

2 1

kR n R

a N

N eff

αα

∆ +

2.6.2.5 Đặc tuyến suy hao

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.8

Nhìn vào hình 2.8 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa

sổ suy hao

Hình 2.8: Cửa sổ suy hao (phổ suy hao) của sợi quang

* Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-3)dB/Km, được

dùng cho giai đoạn đầu

* Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4÷0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay

* Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,2

dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn 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 lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bước sóng 1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai

Hình 2.10 Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b) S chỉ tín hiệu phát, A

chỉ tín hiệu thu a: Dẫn xung, b: xụt biên độ.

Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB)

là τs,τe

Độ giãn xung là 2

e 2

s − τ τ

= τXung phân bố Gauss có phân bố biên độ là :

) 36 , 0 /

max

τ

t P

có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi

2.6.4 Các nguyên nhân gây ra tán sắc.

2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)

Nguyên nhân:

- Sợi truyền nhiều mode

- Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền khác nhau)

⇒ Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode

Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua

số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode

Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tán sắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có:

C

n.Lt

n.C

n.Lt

2 1 2

2 2

2 1 1

=

=

Trong đó: t1: Thời gian truyền tia thứ nhất

t2: Thời gian truyền tia thứ hai

Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền ∆t là:

2 1

t

+ Đối với sợi MM – SI:

Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất)

+ Đối với sợi MM – GI:

- Các tia có quãng đường ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ngược lại

- Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối ưu ở đó độ trễ thời gian là nhỏ nhất

- Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất)

2.6.4.2.Tán sắc vật liệu

Nguyên nhân:

- Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau

- Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định

- Tộc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bớc sóng)

⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Về mặt vật lý, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ

nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.Km

c

L n

T

opt

2

) 2 (

) (

2 1

1α

α

α

α ≠ αopt

α = αopt

2 1

λ

λλ

λ

λλλ

τ

d

n d c d

dn d

n d d

dn c d

- Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định.

- Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau

⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng

n dV

d V d

d

D w

λ

τλλ

τ

Hình 2.13: Tán sắc tổng và các tán sắc thành phần

2.6.4.5 Tán sắc bậc cao

Nguyên nhân:

Do D ≠ 0 trong dải bớc sóng nằm trong phổ xung quang quanh λZD

Đặc trưng bởi độ dốc tán sắc: S = dD/d λ hoặc

Trong đó:

2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực

Nguyên nhân:

- Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao

- Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence)

ra (nhỏ) DP

DR

- Xung quang truyền trong sợi một phần năng lợng mang bởi một trạng thái phân cực (trục nhanh), phần khác mang bởi trạng thái khác (trục chậm) ⇒ tán sắc mode phân cực (PMD).

Độ trễ thời gian:

- Ở đây các chỉ số phụ x và y dùng để phân biệt 2 mode phân cực trực giao với nhau

- Đối với những sợi quang dài người ta tiến hành ghép các cặp mode nhằm làm cân bằng thời gian truyền và giảm phân cực mode (PMD)