Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do đó thƣờng thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode [1]. Nhƣng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng. Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau [1]. Do xấp xỉ nên ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc để xét riêng chúng.

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng đƣợc truyền bởi cấu trúc là sợi quang. Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode nhƣ sau: Sau khi đi vào sợi quang, một xung ánh sáng mang thông tin sẽ đƣợc phân bố giữa lõi và lớp bọc nhƣ đƣợc minh họa ở hình sau:

Hình 2. 10. Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode. MFD là đường kính trường mode.

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc truyền với vận tốc khác nhau (do lõi và lớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đến cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gây ra tán sắc.

Từ hình trên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trƣờng mode giữa lõi và lớp bọc, tức phụ thuộc vào đƣờng kính của trƣờng mode (MFD – Mode Field Diameter) mà MFD lại phụ thuộc vào bƣớc sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộc vào bƣớc sóng.

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) đƣợc tính nhƣ trong phƣơng trình (2.4-10) và phụ thuộc vào tham số V ( tần số chuẩn hóa ) của sợi.

30   2 2 2 2 W 2 2 2 2 n g Vd Vb( ) dn g d Vb D n dV d dV                

Hình sau cho thấy sự thay đổi của d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 theo V

Hình 2. 11. Sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] theo tham số V

Từ hình ta thấy cả d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 đều dƣơng nên theo công thức (2.4.10) thì DW âm trong toàn bộ dải bƣớc sóng từ 0 đến 1,6m

Hình sau đây, sẽ cho thấy DM và DW là tổng của chúng D=DM+DW của một sợi quang đơn mode thông thƣờng.

31

Hình 2. 12. Tán sắc tổng cộng D là sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu DM và tán sắc ống dẫn sóng DW của sợi đơn mode thường. Bước sóng tán sắc 0 (ZD)

dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng

Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng DW làm cho bƣớc sóng tán sắc 0 (ZD) dịch

khoảng 30-40nm để tán sắc tổng D=0 ở gần bƣớc sóng 1,31 m. Ngoài ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu DM trong dải bƣớc sóng từ 1,3-1,6m. Giá trị tiêu biểu của D từ 15-18ps/(km-nm) ở gần bƣớc sóng 1,55 m. Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệ thống tại bƣớc sóng 1,55m.

Vì DW phụ thuộc vào tham số sợi nhƣ bán kính lõi (a) và sự chênh lệch chiết suất () nên ta có thể thiết kế sợi để bƣớc sóng tán sắc 0 dịch đến lân cận giá trị 1,55m. Sợi nhƣ thế gọi là sợi dịch tán sắc. Ta còn có thể ghép sự phân bố ống dẫn sóng để D tƣơng đổi nhỏ qua một dải bƣớc sóng từ 1,3-1,6m, sợi loại này gọi là

sợi san bằng tán sắc.

Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bƣớc sóng của D đối với sợi chuẩn (sợi thƣờng), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.

32

Hình 2. 13. Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đồi với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.