Trong sợi đa mode chiết xuất bậc tỏn sắc mode cú ảnh hưởng lớn nhất và làm hạn chế khả năng truyền tớn hiệu. Để loại trừ hoàn toàn tỏn sắc này cần chế tạo sợi sao cho trong lừi chỉ truyền một mode cơ bản như hỡnh 1.31.
Hỡnh 1.31: Sợi đơn mode chiết suất bậc
Điều kiện truyền một mode cơ bản trong sợi đơn mode là tần số chuẩn hoỏ V phải thoả món biểu thức (1.10). 405 , 2 n n a 2 V ì 12 − 22 ≤ λ π = (1.10)
Ưu điểm của sợi đơn mode là băng tần lớn hơn so với sợi đa mode do khụng cú tỏn sắc mode. Nhõn tố chủ yếu làm hạn chế băng tần của sợi đơn mode là tỏn sắc sắc thể. Ngoài ra sợi đơn mode cũn cú cỏc ưu điểm khỏc như: Suy hao thấp, dung lượng lớn nờn đỏp ứng được nhu cầu truyền tớn hiệu băng rộng trong tương lai.
Từ biểu thức (1.10) nếu a, n1 và n2được chọn thỡ số lượng mode N phụ thuộc vào bước súng λ. Nếu bước súng đạt được từ giỏ trị nào đú trở lờn thỡ trong lừi sợi chỉ truyền một mode, ngược lại nếu bước súng ỏnh sỏng bộ hơn giỏ trị giới hạn thỡ trong lừi sợi truyền nhiều mode. Bước súng tối thiểu đảm bảo cho sợi quang hoạt động đơn mode gọi là bước súng cắt (λc). Khỏi niệm về bước súng cắt là rất quan trọng đối với cỏc sợi đơn mode bởi vỡ nú xỏc định vựng hoạt động đơn mode của sợi. Bước súng cắt được xỏc định theo biểu thức (1.11).
2 2 2 1 c n n 405 , 2 a 2π ì − = λ (1.11)
Nếu sợi cú đường kớnh lừi 2a = 9μm, NA= (n12- n22)1/2 = 0,11 thỡ bước súng cắt sẽ là:
λc = 3,14 ì 9μm ì 0,11/ 2,045 = 1293 nm
Muốn đạt được tần số cắt như biểu thức (1.12) thỡ phải tăng độ dài bước súng cụng tỏc của nguồn quang hoặc giảm đường kớnh lừi sợi hoặc giảm hiệu số chiết xuất giữa lừi và vỏ (Δ). Tuy nhiờn nếu giảm Δ thấp hơn giới hạn cho phộp thỡ sợi rất nhạy cảm với suy hao do uốn cong.
Từ biểu thức (1.10) cũng xỏc định được đường kớnh của lừi sợi:
( 2)1/22 2 2 1 n n 405 , 2 a 2 − π λ ≤ r n a 2 d n1 n2 2 d (b) (a)
Mặc dự đường kớnh lừi giảm bộ hơn 10 μm nhưng đường kớnh vỏ vẫn phải đảm bảo 125μm để bảo vệ lừi sợi từ cỏc tỏc động cơ học và giảm nhạy cảm đối với suy hao do uốn cong. Cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của sợi đơn mode tiờu chuẩn như bảng 1.4.
Bảng 1.4. Cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của sợi đơn mode tiờu chuẩn
Cỏc tham số Đơn vị Giỏ trị danh định Sai số
Đường kớnh trường mode μm 9ữ10 ±10%
Đường kớnh vỏ μm 125 ±3
Độ lờch tõm giữa lừi và vỏ μm ≤1
Độ mộo của vỏ % <2
Bước súng cắt của sợi nm 1100<λC<1280
Suy hao do uốn cong (quấn 100 vũng quanh ống sợi cú bỏn kớnh 37,5mm tại 1550nm)
dB <1
Suy hao tại 1300nm dB/km <1
Suy hao tại 1550nm dB/km <0,5
Bước súng tỏn sắc zero nm 1295<λ0< 1322 Giỏ trị tỏn sắc tại λ0 ps/(nm.km) ≤0,095 Trị số tỏn sắc Vựng λ=1285ữ1330nm Vựng λ=1270ữ1340nm Vựng λ=1525ữ1575nm ps/(nm.km) ps/(nm.km) ps/(nm.km) ≤3,5 ≤6,0 ≤20
1.2.2.3.Cỏc tham số truyền dẫn của sợi quang
Cỏc tham số truyền dẫn của sợi quang gồm suy hao, tỏn sắc, độ rộng băng tần, khẩu độ số và bước súng cắt. Đõy là những yếu tố rất quan trọng, chỳng tỏc động vào toàn bộ quỏ trỡnh thụng tin, định cỡ về khoảng cỏch và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng như xỏc định cấu hỡnh của hệ thống thụng tin quang. Những tham số này được xem xột chi tiết sau đõy.
1) Suy hao của sợi quang
Suy hao trong sợi quang là một trong những thụng số quan trọng khi xỏc định khoảng lặp cực đại và được biểu thị bằng dB/km. Suy hao do cỏc yếu tố bờn trong và bờn ngoài gõy ra.
Suy hao của sợi được xỏc định bằng tỷ số giữa cụng suất quang đầu ra Pout của sợi quang dài L (km) với cụng suất quang đầu vào Pin. Tỷ số cụng suất này là hàm của bước súng, nếu gọi α
là hệ số suy hao thỡ nú được xỏc định theo biểu thức (1.12). ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = α out in P P log L 10 [dB/km] (1.12) Trong quỏ trỡnh truyền tớn hiệu ỏnh sỏng, bản thõn sợi quang cú suy hao và làm cho tớn hiệu yếu đi khi qua một cự li lan truyền nào đú. Suy hao do cỏc yếu tố bờn trong sợi quang bao gồm:
− Suy hao do hấp thụ
Trong cỏc suy hao trờn đõy, suy hao do hấp thụ cú liờn quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ vựng hồng ngoại và vựng cực tớm. Suy hao do tỏn xạ cú liờn quan tới cả vật liệu sợi và tớnh khụng hoàn hảo về cấu trỳc của sợi.
Nguyờn nhõn bờn ngoài gõy ra suy hao cú thể là do ghộp nối, lắp đặt và mụi trường gõy ra. Trờn một tuyến thụng tin quang, cỏc suy hao ghộp nối giữa nguồn phỏt quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang cũng được coi là suy hao trờn tuyến truyền dẫn. Bờn cạnh đú, suy hao cũn do vi uốn cong (với bỏn kớnh uốn cong rất nhỏ) và uốn cong quỏ giới hạn cho phộp. Uốn cong là khụng thể trỏnh khỏi trong điều kiện hoạt động hiện tại cho cả bờn trong cỏp và tại cỏc hộp chứa mối hàn. Vi uốn cong chủ yếu hoặc do lực ộp vào bề mặt gồ ghề của vỏ sợi hoặc do oằn sợi bờn trong cỏp. Ngoài ra sự thay đổi nhiệt độ cũng gõy ra vi uốn cong. Để giảm suy hao vi uốn cong tới mức nhỏ nhất là bọc một lớp vỏ cú khả năng chịu nộn cho sợi. Khi cú lực bờn ngoài tỏc động vào thỡ vỏ này sẽ bị biến dạng trước nhưng sợi vẫn định hướng tương đối thẳng.
Khi sợi bị cong quỏ mức thỡ ỏnh sỏng khụng phản xạ tại tiếp giỏp lừi - vỏ, mà truyền vào vỏ và gõy ra suy hao. Về lý thuyết suy hao cụng suất quang tại đoạn sợi đa mode bị cong tỷ lệ với exp(R/ Rc), trong đú R là bỏn kớnh cong, Rc ≈ a/ (NA)2 = a/ 2n12Δ là bỏn kớnh cong tới hạn, a là bỏn kớnh lừi sợi. Tại đoạn cong cú bỏn kớnh Rc suy hao là đỏng kể, nhưng suy hao dạng hàm mũ sẽ giảm rất nhanh khi độ cong giảm. Trong sợi đơn mode suy hao uốn cong phụ thuộc vào phạm vi mà điện từ trường thõm nhập vào vỏ, và vỡ vậy phụ thuộc vào mặt cắt hệ số chiết xuất và bước súng. Suy hao do uốn cong chớnh là trường mở rộng vào vỏ và suy biến theo hàm mũ theo khoảng cỏch bức xạ. Mặt phẳng pha vuụng gúc với trục sợi. Tốc độ pha của mode dẫn bất kỳ là thấp hơn tốc độ pha của cỏc súng phẳng trong vỏ (c/n2). Nhưng bờn ngoài đoạn cong tốc độ pha tăng theo khoảng cỏch bức xạ và đạt được c/n2.
Trong sợi đơn mode sợi bị uốn cong sẽ ảnh hưởng đến đặc tớnh cơ học nhiều hơn ảnh hưởng đến suy hao. Nếu sợi bị uốn cong thỏi quỏ thỡ mặt sợi phớa ngoài bị dón thờm 0,2% và sợi bị nứt, cũn mặt sợi phớa trong sẽ bị nộn và góy. Muốn ngăn ngừa phải đặt sợi trong cỏp.
2) Tỏn sắc của sợi quang
Hiện tượng tỏn sắc làm nới rộng xung ỏnh sỏng theo thời gian và mộo xung ỏnh sỏng truyền dọc theo sợi. Tỏn sắc làm hạn chế khả năng truyền tớn hiệu của sợi hoặc núi đỳng hơn là hạn chế băng tần cụng tỏc và cự ly truyền dẫn của sợi.
Cú cỏc loại tỏn sắc chủ yếu sau đõy: Tỏn sắc Mode, tỏn sắc vật liệu và tỏn sắc ống dẫn súng. Tuỳ loại sợi mà tỏn sắc nào trong số cỏc tỏn sắc này vượt trội.
Tỏn sắc mode chỉ phụ thuộc vào kớch thước của lừi sợi, nú tồn tại trong cỏc sợi đa mode. Cỏc sợi đơn mode gần như khụng cú tỏn sắc mode mà chỉ tồn tại tỏn sắc vật liệu và tỏn sắc ống dẫn súng (tổng hai loại tỏn sắc này gọi là tỏn sắc sắc thể).
Tỏn sắc mode cũn gọi là tỏn sắc giữa cỏc mode. Nguyờn nhõn là trong sợi đa mode cú sự khỏc nhau về tốc độ nhúm giữa cỏc mode và do đú cỏc mode xuất phỏt từ đầu sợi tại cựng một thời điểm nhưng đến cuối sợi khụng đồng thời. Độ lệch thời gian giữa mode nhanh nhất và mode chậm nhất đặc trưng cho tỏn sắc mode.
Tỏn sắc sắc thể (hay tỏn sắc tổng) gồm cú hai thành phần, đú là: Tỏn sắc vật liệu và tỏn sắc ống dẫn súng nhưđó núi trờn đõy. Tỏn sắc vật liệu là do chiết xuất của vật liệu phụ thuộc vào bước súng. Tỏn sắc ống dẫn súng là do sự phụ thuộc khụng tuyến tớnh của hằng số truyền lan β
3) Độ rộng băng tần cụng tỏc của sợi
Hiện nay trờn một số tuyến thụng tin quang cũn sử dụng sợi đa mode chiết xuất gradient. Độ rộng băng tần của loại sợi này bị hạn chế chủ yếu do tỏn sắc mode hoặc tỏn sắc vật liệu tuỳ thuộc vào bước súng của nguồn quang. Khi nguồn quang là LED cú đặc tớnh phổ rộng và hoạt động tại λ = 850 nm thỡ tỏn sắc vật liệu đúng vai trũ chủ yếu. Ngược lại, nếu sử dụng laser diode cú đặc tớnh phổ hẹp hơn và hoạt động tại λ = 1300 nm thỡ tỏn sắc mode lại đúng vai trũ chủ yếu.
Độ rộng băng tần cụng tỏc của sợi đơn mode phụ thuộc chủ yếu vào tỏn sắc tổng.
4) Khẩu độ số
Khỏi niệm khẩu độ số NA đó được trỡnh bày ở trờn. NA được xỏc định theo cỏc biểu thức (1.3) và (1.7).
5) Bước súng cắt
Khỏi niệm bước súng cắt đó được trỡnh bày ở trờn. Bước súng cắt được xỏc định theo biểu thức (1.11).
1.2.3. Mỏy phỏt tớn hiệu quang
1.2.3.1.Cỏc loại nguồn quang
Nguồn quang trong thiết bị thụng tin quang là linh kiện cú khả năng chuyển đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang ở dải bước súng truyền trong sợi quang. Cú hai loại nguồn quang, đú là diode phỏt xạ (LED) và laser diode (LD). Sau đõy trỡnh bày một số khỏi niệm liờn quan đến chức năng của nguồn quang.
Nếu trong nguyờn tử (hoặc phõn tử) chuyển động của cỏc điện tửđược giới hạn trong một phạm vi hẹp cỡ bằng kớch thước nguyờn tử, thỡ ở trong cỏc chất rắn núi chung và chất bỏn dẫn núi riờng, cỏc điện tử hoỏ trị cú thể chuyển động từ nguyờn tửở nỳt mạng tinh thể này đến nguyờn tửở nỳt mạng tinh thể khỏc và là sở hữu chung của cả mạng tinh thể. Vỡ cỏc mức năng lượng của điện tử phụ thuộc vào vị trớ tương đối của nú so với mạng tinh thể, mà sốđiện tử lại rất nhiều, do đú số cỏc mức năng lượng của cỏc điện tử hoỏ trị trong toàn mạng tinh thể là một số vụ cựng lớn. Ngoài ra trong chất rắn, cỏc nguyờn tử được phõn bố sỏt nhau, cỏc lớp vỏđiện tử của chỳng đặc biệt là những lớp phớa ngoài che phủ lờn nhau và tương tỏc với nhau rất mạnh. Sự tương tỏc này gõy nờn những dịch chuyển vị trớ và làm tỏch cỏc mức năng lượng điện tử ra thành nhiều phõn mức khỏc nhau.
Đối với cỏc chất bỏn dẫn, những vựng năng lượng cho phộp được ngăn cỏch với nhau bởi tập hợp cỏc giỏ trị năng lượng vựng cấm. Thụng thường độ rộng vựng cấm của cỏc chất bỏn dẫn điển hỡnh khoảng 0,1ữ1,0 eV. Trong số cỏc vựng năng lượng cho phộp, vựng trờn cựng đó dồn đầy cỏc điện tử hoỏ trịđược gọi là vựng dẫn. Vựng tiếp theo đú cũn hoàn toàn trống ở nhiệt độ 0K gọi là vựng cấm và vựng dưới cựng gọi là vựng hỏo trị. Vỡ quỏ trỡnh vật lý xẩy ra trong cỏc chất bỏn dẫn chỉ liờn quan đến cỏc điện tử ở vựng hoỏ trị hoặc ở đỏy vựng dẫn do đú khi vẽ giản đồ năng lượng của bỏn dẫn chỉđể ý đến hai vựng này như hỡnh 1.32.
Hỡnh 1.32: Sơ đồ vựng năng lượng của bỏn dẫn
Ở nhiệt độ thấp thỡ bỏn dẫn trở thành chất điện mụi. Khi nhiệt độ tăng thỡ bỏn dẫn trở thành chất dẫn điện. Bởi vỡ khi đú cỏc điện tử của vựng hoỏ trị nhận được năng lượng đủ lớn để vượt qua vựng cấm lờn vựng dẫn và trở thành cỏc điện tử dẫn. Khi đú ở vựng hoỏ trị, tại nơi điện tử vừa đi khỏi sẽ xuất hiện cỏc lỗ trống như hỡnh 1.33.
Hỡnh 1.33: Sơ đồ phõn bố mật độ cỏc điện tử và lỗ trống
Quỏ trỡnh này được gọi là quỏ trỡnh tạo cặp điện tử và lỗ trống bằng nhiệt. Quỏ trỡnh xẩy ra khụng chỉ do nung núng bỏn dẫn, mà cú thể hỡnh thành dưới tỏc dụng cỏc dạng kớch thớch khỏc. Vớ dụ như bằng ỏnh sỏng, dũng điện, bắn phỏ bởi cỏc điện tử và ion bờn ngoài.
Song song với quỏ trỡnh trờn, trong tinh thể bỏn dẫn cũn xẩy ra quỏ trỡnh ngược lại gọi là quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử-lỗ trống, cỏc điện tử của vựng dẫn cú thể thực hiện chuyển dời tự phỏt xuống vựng hoỏ trị và chiếm lấy cỏc mức năng lượng tự do ởđú.
Cỏc thực nghiệm về quang phổđều cho thấy khi cỏc nguyờn tử hấp thụ và bức xạđều hỡnh thành phổ vạch. Hiện tượng này được giải thớch dựa vào mức năng lượng rời rạc tương ứng với cỏc trạng thỏi của nguyờn tử. Ký hiệu E1 và E2 là hai mức năng lượng của một nguyờn tử. Ở đõy, E1 là năng lượng trạng thỏi nền và E2 là năng lượng trạng thỏi kớch thớch. Tại trạng thỏi cõn bằng nhiệt thỡ cỏc điện tử ở mức năng lượng thấp E1 (hỡnh 1.34a). Theo định luật Planck thỡ sự dịch chuyển giữa hai trạng thỏi này cú liờn quan tới quỏ trỡnh hấp thụ và phỏt xạ của cỏc photon cú năng lượng hν12= E2-E1. Bỡnh thường, hệ thống ở trạng thỏi nền. Khi cú một năng lượng hν12 tỏc động vào hệ thống thỡ một điện tử ở trạng thỏi E1 sẽ hấp thụ năng lượng này và được kớch thớch lờn trạng thỏi E2 (hỡnh 1.34b). Vỡ đõy là trạng thỏi khụng bền vững nờn điện tử sẽ nhanh chúng quay lại trạng thỏi ban đầu và sẽ giải phúng một năng lượng bằng E-E . Hiện tượng này gọi là
Vựng dẫn Vựng hoỏ trị Vựng cấm Eg Vựng dẫn Vựng hoỏ trị Vựng cấm Chuyển dịch điện tử Điện tử Lỗ trống Mật độ cỏc điện tử Mật độ cỏc lỗ trống Năng lượng cỏc điện tử EC EV E0
phỏt xạ tự phỏt (hỡnh 1.34c) và khi năng lượng được giải phúng dưới dạng ỏnh sỏng thỡ gọi là ỏnh sỏng phỏt xạ tự phỏt. Phỏt xạ này đẳng hướng, cú pha ngẫu nhiờn. Một số chất dễ dàng phỏt sỏng, và một số chất khỏc khụng phỏt sỏng.
Hỡnh 1.34: Biểu đồ mức năng lượng và quỏ trỡnh phỏt xạ
Theo cơ học lượng tử thỡ bước súng ỏnh sỏng khi phỏt xạ hoặc hấp thụđược xỏc định theo biểu thức sau đõy:
E2-E1 = hν12,ν12 = (E2- E1)/ h
Vậy: λ = c/ν12 = hc/(E2-E1) (1.13) Trong đú: h = 6,626 ì 10-34 J.s là hằng số Planck
c = 3ì108 m/s là tốc độ ỏnh sỏng trong khụng gian tự do.
Khi ỏnh sỏng cú năng lượng bằng E2 - E1 tỏc động vào hệ thống trong khi điện tử đang ở trạng thỏi kớch thớch thỡ điện tử hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng tới buộc nú trở về mức năng lượng E1và giải phúng ra năng lượng. Năng lượng ỏnh sỏng được giải phúng tại thời điểm này sẽ lớn hơn năng lượng ỏnh sỏng phỏt xạ tự phỏt và pha của nú là pha của ỏnh sỏng tới. Hiện tượng này gọi là phỏt xạ cưỡng bức (hỡnh 1.34d). Bước súng phỏt xạ cưỡng bức cũng được xỏc định theo biểu thức (1.13).
1.2.3.2.Diode phỏt quang (LED)
LED phỏt xạ mặt (SLED)
Diode phỏt xạ mặt cú cấu trỳc dị thể kộp được ký hiệu là DH SLED. Mặt cắt ngang của DH SLED kiểu chụn như hỡnh 1.35. E1 E2 Điện tử a) Lỗ trống b) c) d) Ánh sỏng Bức xạ tự phỏt Bức xạ cưỡng bức Ánh sỏng Lớp tiếp xỳc Lớp tiếp xỳc