S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu a) Dãn xung b) ụt biên độ
2.2.2 Tán sắc mode
Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang. Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng. Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.
Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau là khác nhau gây ra tán sắc.
Rõ ràng ta thấy tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode, do đó muốn loại bỏ tán sắc mode thì ta phải sử dụng sợi đơn mode. Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đa mode.
Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểu diễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang. Khẩu độ số càng lớn thì càng dễ hướng ánh sáng vào sợi quang. Như vậy ta có cảm giác như khẩu độ số càng lớn thì càng tốt. Nhưng điều này là không đúng, có một trở
ngại khiến ta không thể tăng khẩu độ số lớn. Để hiểu được điều này ta hãy xem xét các mode trong sợi quang.
Sự thật là ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợp của những luồng sáng hoặc những tia sáng riêng lẻ. Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc như được minh họa ở hình sau:
Hình 2.5 Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang
Những luồng sáng khác nhau được gọi là những mode. Ta phân biệt các mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt. Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp. Như vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode truyền ở góc truyền tới hạn αc (là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang. Nhiều mode có thể cùngtồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền được gọi là sợi đa mode.
Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học của sợi . Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng. Và bước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng. Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều. Như vậy có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi (d), khẩu độ số (NA) và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ).
Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có: V d NA λ π = với 2 2 2 1 n n NA= − (2.13) thì số lượng mode được tính như sau:
2
2
V
4
2
V
N = (đối với sợi GI) (2.15) Như vậy ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn quang đi vào sợi quang chia thành một tập hợp mode. Trong sợi, công suất quang tổng cộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra với công suất của nó. Hình sau sẽ minh họa cho vấn đề trên (với 4 mode làm ví dụ).
Hình 2.6 Công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và gây tán sắc
Từ hình trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằng mode 1 và kết thúc bằng mode 4. Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín hiệu bị giãn ra (T0 >Ti).
Hình 2.7 Tán sắc mode trong sợi SI
Hình 2.8 Tán sắc mode trong sợi GI