mode).
Cú hai hướng khảo sỏt truyền ỏnh sỏng trong sợi quang : Một hướng dựng lý thuyết tia sỏng và một hướng dựng lý thuyết súng ỏnh sỏng. Thụng thường lý thuyết tia được sử dụng vỡ nú đơn giản, dễ hỡnh dung. Song cũng cú những khỏi niệm khụng thể dựng lý thuyết tia để diễn tả một cỏch chớnh xỏc, người ta phải dựng đến lý thuyết súng. Mode là một trong những khỏi niệm đú. Súng ỏnh sỏng cũng là súng điện từ cú thể ỏp dụng cỏc phương trỡnh maxwell với điều kiện biờn cụ thể của sợi quang đễ xỏc định biểu thức súng truyền trong nú. Dựa trờn biểu thức đó xỏc định cú thể phõn tớch cỏc đặc điểm truyền dẫn súng. Trong khuụn khổ cú hạn, ta sẽ khụng trỡnh bày cỏc bước giải phương trỡnh mà chỉ nờu cỏc thụng số rỳt ra từ kết quả cú liờn quan
λ π
2
=
V . a . na = k . a . na
đến đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang. Một mode song là một trạng thỏi truyền ổn định của ỏnh sỏng trong sợi. Khi truyền sợi trong ỏnh sỏng đi theo nhiều đường, trạng thỏi ổn định của cỏc đường này gọi là những mode. Cú thể hỡnh dung gần đỳng một mode ứng với một tia sỏng. Cỏc mode được ký hiệu : lp và với v = 0,1,2...
và à = 1,2 ..mode thấp nhất là lp01.
Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc vào cỏc thụng số của sợi, trong đú cú thừa số v . trong đú a : bỏn kớnh lừi : bước súng , k là số súng λ π 2 = K na : khẩu độ số
Vậy số mode n truyền trong sợi được tớnh gần đỳng như sau: 2 * 2 2 + ≈ g g V N Trong đú : v: thừa số v
g : số mũ trong hàm chiết suất
Số mode truyền được trong sợi chiết suất bậcsi là g→∞:
2
2
V N ≈
Với sợi cú chỉ số chiết suất giảm dần g = 3 thỡ số mode là:
6
2
V N ≈
Túm lại : sợi cú thể truyền được nhiều mode được gọi là đa mode, sợi chỉ truyền được một mode gọi là đơn mode.
a). Cấu tạo sợi đa mode:
Sợi đa mode cú đường kớnh lừi và khẩu độ số lớn nờn cú thừa số v và số mode n lớn. Cỏc thụng số của loại đa mode thụng dụng là :
125àm 125àm n n n1 n0 n2 n0 n2 n0 x x sợi si sợi gi
Hỡnh 2.11. Kớch thước sợi đa mode .
Đường kớnh lừi d = 2a ≈ 50 à m Đường kớnh lớp bọc d = 2b ≈ 125 à m Độ lệch chiết suất ∆ ≈ 1%
Chiết suất lớn nhất của lừi n1 ≈ 1,45
Sợi đa mode cú thể là chiết suất bậc hoặc chiết suất giảm dần ( hỡnh 2.11 )
b). Cấu tạo sợi đơn mode:
Khi giảm kớch thước lừi sợi đễ chỉ cú một mode súng cơ bản truyền được trong sợi thỡ sợi được gọi là sợi đơn mode. Trờn lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số v < vc1 = 2,402.
Vỡ chỉ cú một mode truyền súng truyền trong sợi nờn độ tỏn sắc đo nhiều đường truyền bằng khụng và sợi đơn mode cú dạng phõn bố chiết suất bậc ( hỡnh 2.12.)
Cỏc thụng số của sợi đơn mode thụng dụng là :
Đường kớnh lừi d = 2a = 9à m ữ 10àm Đường kớnh lớp bọc d = 2b = 125 àm Độ lệch chiết suất ∆ ≈ 0,3 %
Chiết suất lừi n1 ≈ 1,45
n0 n2 n1 n
125àm ∆ = 0,3%
Hỡnh 2.12. Kớch thước sợi đơn mode.
Độ tỏn sắc của sợi đơn mde nhỏ hơn nhiều so với sợi da mode ( kể cả loại sợi gi) đặc biệt ở bước súng λ = 1300nm độ tỏn sắc của sợi đơn mode rất thấp ( gần bằng khụng ). Do đú , dải thụng của sợi đơn mode rất rộng , song vỡ kớch thước của sợi đơn mode quỏ nhỏ nờn đũi hỏi kớch thước của linh kiện quang cũng phải tương ứng và cỏc thiết bị hàn nối quang cũng cú độ hàn nối cao yờu cầu ngày nay đều cú thể đỏp ứng và do đú sợi đơn mode cũng cú thể dựng phổ biến. 10àm
2.2.1. Định nghĩa :
Việc truyền tớn hiệu từ phớa phỏt tới phớa thu sẽ bị suy hao và mộo tớn hiệu, đõy là hai yếu tố quan trọng, nú tỏc động 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.
Cụng suất quang truyền trờn sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ tương tự tớn hiệu điện. Biểu thức tổng quỏt của hàm số truyền cụng suất cú dạng :
-α . l
p ( l ) = p ( o ) * 10 10 ( 2.7 ) Trong đú : p ( o ) : cụng suất đầu sợi ( l = o )
p ( l ) : c ụng suất cự ly l ( km ) tớnh từ đầu α : hệ số suy hao
Độ suy hao của sợi được tớnh bởi : a ( db ) = 10 lg 2 1 P P ( 2.8 ) Trong đú p1 = p ( 0 ) : cụng suất đưa vào đầu sợi
p2 = p ( l ) : c ụng suất ở cuối sợi α ( db / km ) = ( ) ( )Km L dB A ( 2.9 ) Hệ số suy hao hay hệ số trung bỡnh :
Trong đú a = suy hao của sợi l = chiều dài của sợi
Về nguyờn lý đõy khụng phải là giỏ trị tuyệt đối mà cú quan hệ cụng suất hoặc mức , do đú phộp đo đơn giản hơn.
p p1
p2 l
Hỡnh 2.13. Sự suy giảm cụng suất của sợi quang
2.2.2. Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao trờn sợi quang :
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
2.2.3. Đặc tuyến suy hao:
α(db/km) Cửa sổ thứ nhất Sợi được chế tạo những năm 70
100 50 20
10 Sợi chế tạo những năm80 Cửa sổ thứ hai 1 0,5 Cửa sổ thứ ba 0,2 0,1 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 λ(nm)
Hỡnh 2.21. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khỏc nhau tuỳ theo từng chủng loại sợi nhưng tất cả đều thể hiện được đặc tuyến suy hao chung như đó phõn tớch . Một đặc tuyến điển hỡnh như hỡnh vẽ trờn đõy:
Cần lưu ý rằng, trờn đặc tuyến suy hao của sợi quang cú 3 vựng bước súng cú suy hao thấp, gọi là ba cửa suy hao .
* Cửa sổ thứ nhất cú bước súng 850nm: được xem là bước súng cú suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung bỡnh ở bước súng này từ 2 – 3 db/km. Ngày nay bước súng này ớt được dựng vỡ suy hao ở đú chưa phải là thấp nhất.
* Cửa sổ thứ hai cú bước súng 1300nm: suy hao ở bước súng này tương đối thấp khoóng từ 0,4 – 0,5 db/km. Đặc biệt, ở bước súng này cú độ tỏn sỏc thấp nờn được sử dụng rộng rói.
* Cửa sổ thứ 3 cú bước súng 1550nm: cho đến nay suy hao ở bước súng này là thấp nhất, dưới 0,2 db/km. Trong những sợi quang bỡnh thường, độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm lớn hơn bước súng 1300nm. Nhưng với loại sợi cú