4.1 Tổng quan suy hao.
Suy hao trên sợi quang đĩng vai trị rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống,là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu.Ảnh hưởng của nĩ
n(r)
cĩ thể được tính như sau:cơng suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang cĩ chiều dài L cĩ liên hệ với cơng suất ngõ vào như sau :
Với α là suy hao sợi quang.
Hình 1.21 Khái niệm suy hao trong sợi quang.
Thường suy hao tính theo đơn vị là dB/Km,vì vậy suy hao αdB dB/Km cĩ nghĩa là tỉ số Pout / Pin đối với L = 1 Km thỏa mãn.
Thường thì suy hao được gán giá trị dương do đĩ tổng quát hệ số suy hao được xác định bằng cơng thức :
4.2 Các nguyên nhân gây suy hao.
Cơng suất truyền trong sợi bị thất thốt do sự hấp thụ của vật liệu,sự tán xạ ánh sáng và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong.
4.2.1 Suy hao do hấp thụ.
4.2.1.1 Sự hấp thụ của các chất kim loại.
Các tạp chất trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng.Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe),Đồng (Cu),Mangan (Mn),Cromium (Cr),Cobal (Co),Nikel (Ni) …Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ của tạp chất và bước sĩng ánh sáng truyền qua nĩ.Để cĩ một sợi quang cĩ độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải cĩ thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất khơng quá một phần tỷ.
30 × out in e L P P = − α ⋅ P2 = P(out) P 1 = P(in) L 10 log10 Pout Pin = - αdB Pin ( = α (dB/Km) 10 L log Pout)
4.2.1.2 Sự hấp thụ của OH.
Sự cĩ mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra độ suy hao hấp thụ đáng kể.Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sĩng 950 nm,1240 nm,1400 nm.Như vậy độ ẩm cũng 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 dưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nĩ.
4.2.1.3 Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại.
Ngay cả khi sợi quang được từ thủy tinh cĩ độ tinh khiết cao sự hấp thụ vữn xẩy ra.Bản thân của thủy tinh cũng hấp thụ ánh sanfsgtrong vùng cực tím và vùng hồng ngoại,độ hấp thụ thay đổi theo bước sĩng.
0 100 200 300 400 500 600 Cu Fe Mn 500 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm) α (dB/Km) nồng độ độ tạp chất 10-6 3 2 1 0 α (dB/Km) 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm) nồng độ ion OH- 10-6
4.2.2 Suy hao do tán xạ tuyến tính.
Tán xạ tuyến tính trong sọi quang là do tính khơng đồng đều rất nhỏ của lõi,cĩ thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu,tính khơng đơng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi.Ngồi ra,thủy tinh cịn được chế tạo từ các oxit như : SiO2,GeO2,P2O5.Nên cĩ thể xẩy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng.Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất,tạo ra tán xạ.Tán xạ tuyến tính làm cho năng lượng quang từ một mốt lan truyền dduocj truyền tuyến tính sang một mốt khác.Quá trình này làm suy hao cơng suất quang được truyền đi vì cơng suất được truyền sang một mốt rị hay mốt bức xạ (leaky or radiation mode) là những mốt khơng tiếp tục lan truyền trong lõi sợi quang mag bức xạ ra khỏi sợi.Tán xạ tuyến tính sẽ khơng làm thay đổi tần số tán xạ.Tán xạ tuyến tính thường được phân thành hai loại : tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie.
4.2.2.1 Tán xạ Rayleigh:
Nĩi chung khi sĩng điện từ tuyền trong mơi trường điện mơi gặp những chỗ khơng đồng nhất sẽ xẩy ra hiện tượng tán xạ.Các tia sáng truyền qua chỗ khơng đồng nhất này sẽ tỏa đi nhiều hướng,chỉ một phần ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ,phần cịn lại truyền theo các hướng khác thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang. 4.2.2.2 Tán xạ Mie. 32 α (dB/Km) 100 10 1 0.1 0.0 1 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm) Hấp thụ cực tím Hấp thụ hồng ngoại
Xảy ra do sự khơng đồng nhất cĩ kích thước nhỏ tương đương với bươc sĩng (lớn 1/10) lan truyền trong sợi quang và chu yếu là trong hướng tới (hướng lan truyền ).Tán xạ này cĩ thể giảm đến mức khơng đáng kể bằng các biện pháp giảm tính khơng đồng nhất như : loại bỏ tạp chất trong qua trình sản suất thủy tinh,điều khiển chặt chẽ quá trình kéo và bọc sợi quang,tăng độ lệch chiết suất.
4.2.3 Suy hao do uốn cong.
Suy hao của sợi quang mọt cách tổng quát được chia làm hai loại : suy hao bên trong và suy hao bên ngồi.Suy hao bên trong (gồm suy hao hấp thụ,suy hao do tán xạ mà ta đã xét ở trên) thuộc về bản chất của sợi quang do quá trình chế tạo,cơng nghệ chế tạo mà ra.Suy hao bên ngồi khơng thuộc về bản chất của sợi,là suy hao do uốn cong khi vận hành,sủ dụng sợi trên thực tế.
Suy hao uốn cong gồm hai loại :
- Uốn cong vi mơ : là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên,trường hợp này xảy ra khi sợi được bọc thành cáp.
- Uốn cong vĩ mơ : là uốn cong cĩ bán kính uốn cong lớn hơn hoặc tương đương đường kính sợi.
Khi ánh sáng tới chỗ sợi quang bị uốn cong ,một phần ánh sáng sẽ ra ngồi lớp bọc.Sợi bị uốn cong ít,chỉ một phần nhỏ ánh sáng lọt ra ngồi.Sợi càng uốn cong suy hao càng tăng.
Do đĩ người ta quy định bán kính uốn cong cho phép :
- Từ cơng thức trên ta thấy cĩ thể giảm suay hao do uốn cong bằng cách : - Thiết kê sợi quang cĩ độ chênh lệch chiết suất lớn
- Hoạt động ở bước sĩng ngắn hơn cĩ thể.
Nguyên nhân gây ra uơn cong : chế tạo cáp(xoắn ruột cáp),lắp đặt cáp.Khi cuốn cáp cũng như láp đặt cáp,chỉ nên uốn cong sợi với bán kính R < Rc.Giá trị Rc khuyến cáo Rc = 30 mm – 50 mm.
Rc =
3n²1λ