Cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy cụng suất quang truyền trờn sợi do bị suy hao do hấp thụ, tỏn xạ ỏnh sỏng và khỳc xạ qua chổ bị uốn cong. Ngoài ra cũn cú thể kể thờm suy hao hàn nối do hiệu suất ghộp quang.
a). Suy hao do hấp thụ :
Sự hấp thụ do cỏc tạp chất kim loại : Cỏc tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng. Cỏc tạp chất thường gặp là sắt( fe ), đồng ( cu ), mangan ( mn ), crụm ( cr ), coban ( co ), niken ( ni) mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước súng ỏnh sỏng truyền qua nú. Với nồng độ tạp chất một phần triệu thỡ độ hấp thụ của vài tạp chất được biểu diễn như hỡnh dưới đõy :
α( db /km) 600 500 400 mn cu 300 200 fe 100 λ (àm) 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Hỡnh 2.14. Độ hấp thụ của cỏc tạp chất kim loại .
Như vậy đễ cú được sợi quang cú đọ suy hao đưới 1db / km cần phải cú thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất khụng quỏ một phần tỷ .
Sự cú mặt của ion oh trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đỏng kẻ. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở cỏc bước súng gần 9950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyờn nhõn gõy suy hao ở sợi quang. Trong quỏ trỡnh chế tạo, nồng độ của cỏc ion oh trong lừi được giữ ở mức dưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nú .
α ( db/km) 3 2 1 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 λ (àm) Hỡnh 2.15. Độ hấp thụ ion oh Hấp thụ bằng cực tớm và hồng ngoại : α(db/km) 100 suy hao do hấp thụ cực tớm 10
1 suy hao do hấp thụ hồng ngoại
0,1
0,01
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 (àm)
Hỡnh 2.16. Suy hao do hấp thụ vựng cực tớm & hồng ngoại
Ngay khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh cú độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thõn thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ỏnh sỏng trong
vựng cực tớm và vựng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước súng như trờn ( hỡnh 2.15 ). Sự hấp thụ trong vựng hồng ngoại gõy trở ngại cho khuy hướng sử dụng bước súng dài trong thụng tin quang.
b). Suy hao do tỏn xạ :
Tỏn xạ rayleigh : Núi chung, khi súng điện từ truyền trong mụi trường điện mụi gặp những chổ khụng đồng nhất sẽ xẫy ra hiện tượng tỏn xạ. Những chổ khụng đồng nhất trong sợi quang do những sắp xếp của cỏc phần tử thuỷ tinh, cỏc khuyết tật của sợi quang như : Bọt khụng khớ, cỏc vết nứt...Khi kớch thước của vựng khụng đồng nhất vào khoảng một phần mười bước súng thỡ trở thành những nguồn điểm để tỏn xạ. Cỏc tia sỏng truyền qua những chỗ khụng đồng nhất này sẽ toả theo nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng của ỏnh sỏng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần cũn lại sẽ truyền theo hướng khỏc thậm chớ truyền ngược về phớa nguồn quang .
Độ suy hao của tỏn xạ rayleigh tỉ lệ nghịch luỹ thừa bậc 4 của bước súng nờn giảm rất nhanh về phớa bước súng dài .
α (db/km) 5 αtx (λ) = αtx (λ) 4 0 λ λ (2.10) 4 3 2 1 0,3 0 0,7 0,8 0,9 1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 λ ( à m )
định theo vật liệu chế tạo sợi. Đối với thuỷ tinh silica thỡ cú λo = 1àm và αtx ( λo ) = 0,8db / km. Ở bước súng 850nm suy hao do tỏn xạ rayleigh của sợi silica khoảng 1 đến 2 db/km và ở bước súng 1300nm suy hao cỡ khoảng 0,3db /km.
Cần lưu ý rằng tỏn xạ rayleigh là một nguyờn nhõn gõy ra suy hao sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường cỏc mỏy đo quang dội .
Tỏn xạ do mặt phõn cỏch giửa lỏi và lớp bọc khụng hoàn hảo .
Khi tia sỏng truyền đến những chỗ khụng hoàn hảo giữa lừi và lớp bọc , tia sỏng sẽ bị tỏn xạ. Lỳc đú một tia tới sẽ cú nhiều tia phản xạ với cỏc gúc phản xạ khỏc nhau. Những tia cú gúc phản xạ nhỏ hơn gúc tới giới hạn sẽ khỳc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần .
c). Suy hao do sợi bị uốn cong :
Suy hao do sợi bị uốn cong là suy hao ngoài bản chất (khụng cố hữu) của sợi, khi bất kỳ một sợi quang nào bị uốn cong theo đường cong cú bỏn kớnh xỏc định sẽ cú hiện tượng phỏt xạ tớn hiệu ỏnh sỏng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ỏnh sỏng lan truyền trong lừi sợi sẽ bị suy hao. Cú hai loại uốn cong trong sợi là:
Vi uốn cong : Khi sợi quang bị chốn ộp tạo nờn những chỗ bị uốn cong nhỏ thỡ suy hao của sợi quang tăng lờn. Sự suy hao này xuất hiện do tia sỏng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đú. Một cỏch chớnh xỏc hơn , sự phõn bố trường bị xỏo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn đến sự phỏt xạ năng lượng ra khỏi lừi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất về phớa bước súng dài .
Uốn cong : Khi sợi bị uốn cong với bỏn kớnh uốn cong càng nhỏ thỡ suy hao càng lớn ( hỡnh 2.18 ) tuy nhiờn khụng thể trỏnh được việc uốn cong sợi
quang trong quỏ trỡnh chế tạo và lắp đặt. Song nếu chỳng ta giữ cho bỏn kớnh uốn cong lớn hơn một bỏn kớnh tối thiểu cho phộp thỡ suy hao do uốn cong khụng đỏng kể. Bỏn kớnh uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị, thụng thường 30nm đến 50nm. Bỏn kớnh uốn cong tối thiểu được quy định:
R = ( 21 22) 1 2 4 . . 3 n n n − π λ ( 2.11 ) α(db/km) 10 1 0,1 0,01 0 10 20 30 40 50 60 r ( mn )
Hỡnh 2.18. Suy hao do uốn cong thay đổi theo bỏn kớnh r Độ suy hao do uốn cong cú thể được tớnh theo cụng thức :
αend = ( ∆) + . / 2 2 10 R a g g Log
Trong đú : ∆ : độ lệch chiết suất r : bỏn kớnh uốn cong a : bỏn kớnh lừi g : tham số mặt cắt
d). Suy hao do hàn nối.
Khi hàn nối cỏc sợi quang, chỳng phải được nối cỏc đầu sợi với nhau chuẩn trực. Nếu lừi hai sợi khụng được gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất thỡ một phần ỏnh sỏng qua lừi này sẽ khụng được qua sợi bờn kia hoàn toàn và bị phản xạ ra ngoài gõy suy hao. Nguyờn nhõn chớnh của suy hao này là việc khụng đặt đồng trục hai sợi quang, do vậy tạo nờn suy hao rất lớn. Nếu
độ lớn của phản xạ này lớn thỡ người ta gọi là phản xạ fresnel. Cú nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đọ suy hao của mối hàn, thụng thường xếp thành ba loại chớnh :
+ chất lượng mặt cắt đầu sợi. + vị trớ tương đối giữa hai đầu sợi . + thụng số của hai sợi.
Chất lượng mặt cắt đầu sợi :
Suy hao của mối hàn trước tiờn phụ thuộcvào cụng tỏc chuẩn bị . Cỏc yờu cầu đối với mặt cắt là :
Mặt cắt phẳng, khụng mẻ , khụng lồi.
Mặt cắt phải sạch sẽ : khụng cú bụi , chất bẩn.
Mặt cắt phải vuụng gúc với trục .
Gúc nghiờng của mặt cắt càng lớn thỡ suy hao mối hàn càng cao ( hỡnh 2.19 ). α( db /km) 0,75 0,5 0,25 o 1 2 3 4 θ ( độ )
e). Suy hao ghộp nối giữa sợi quang và linh kiện thu phỏt quang.
Điều kiện đễ ghộp ỏnh sỏng từ linh kiện phỏt quang vào sợi quang được xỏc định bằng khẩu độ số na. Khi so sỏnh về đặc điểm của ld và led thỡ chỳng cú độ rộng chựm sỏng khỏc nhau, khi ghộp nối vào sợi quang thỡ laser cú đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kớnh để tập trung nguồn sỏng. Ngoài ra loại sợi sm và gi cũng cú những đặc điểm khỏc nhau về suy hao ghộp nối bởi vỡ chỳng cú những đường kớnh lừi khỏc nhau.
Trong ghộp nối sợi quang và linh kiện thu quang thỡ cỏc loại sợi cú na lớn, loại sợi gi cú suy hao lớn hơn loại sợi sm vỡ chựm sỏng của loại sợi này bị trải rộng ra. Tuy nhiờn sự khỏc nhau về suy hao do nguyờn nhõn chựm sỏng nở rộng thỡ nhỏ hơn nhiều so với suy hao ghộp nối bản thõn nú.
Suy hao do cỏc thụng số khỏc nhau:
Mặc dự cụng tỏc chuẩn bị tốt, nhưng cú sự khỏc biệt về thụng số sẽ gõy suy hao lớn cho mối hàn. Cỏc thụng số của sợi ảnh hưởng đến mới hàn là :
Đường kớnh sợi (đường kớnh lừi, đường kớnh trường mode)
Độ mộo ờlip.
Khẩu độ số na ( hay gúc mở đầu sợi ) na = sin θmax = n1 2∆
Suy hao mối hàn cũn phụ thuộc vào vị trớ tương đối giữa hai đầu sợi (hỡnh 2.20 ) , bao gồm:
Lệch trục : Trục của hai sợi khụng song song với nhau. Lệch tõm : Tõm của hai mặt cắt đầu sợi khụng trựng nhau. Khe hở : Đầu hai sợi khụng khớt nhau.
1,2 1 0,.8 φ/θmax 0,6 0,4 x/d d φ 0,2 x 0 s/d 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 độ lệch tương đối s