Tùy theo yêu cầu sử dụng khác nhau mà sợi quang được sản xuất theo các kỹ thuật khác nhau với các đặc tính khác nhau. Trên cơ sở này mà sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ như theo vật liệu chế tạo sợi quang, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi sợi.
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 4 Bảng 1.1: Các kiểu phân loại sợi quang
Phân loại theo vật liệu điện môi - Sợi quang thạch anh
- Sợi quang thủy tinh đa vật liệu - Sợi quang bằng nhựa tổng hợp Phân loại theo mode lan truyền - Sợi quang đơn mode(SM-single
mode)
- Sợi quang đa mode (MM-multi mode)
Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ trong sợi quang
- Sợi quang chiết suất nhảy bậc (SI- step index)
- Sợi quang chiết suất biến đổi (GI- gradien index)
Trong thực tế người ta thường chia sợi quang thành những loại sau:
- Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI-MM ( Step Index- Multi Mode) - Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI-MM ( Grandien Index- Multi Mode) - Sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc SI-SM ( Step Index- Single Mode) a. Phân loại theo vật liệu điện môi
Loại sợi bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh: nó không chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F… để làm thay đổi chiết suất khúc xạ.
Loại sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là soda lime, thủy tinh hoặc thủy tinh boro_silicat,…
Loại sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài.
b. Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ
Các sợi quang có thể tạm phân loại thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Một loại gọi là sợi quang chiết suất nhảy bậc (SI), loại thứ hai gọi là sợi quang chiết suất biến đổi (GI).
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 5 Loại sợi SI: nói chung chỉ dùng để chỉ sợi quang đa mode mà nó có chiết suất thay đổi một cách rõ ràng giữa lõi và vỏ.
Loại sợi quang GI: sợi quang được làm theo cấu trúc đặc biệt để truyền ánh sáng nhiều mode. Chiết suất khúc xạ của lõi biến đổi một cách dần dần theo hướng đường kính sợi. Hay ánh sáng ở mode cao hơn sẽ lan truyền qua một khoảng cách lớn hơn và hầu như lan truyền trong phần lõi có chiết suất phản xạ thấp.
Kiểu sợi
MM SM
Chiết suất bậc Chiết suất biến đổi Chiết suất bậc
Mặt cắt chỉ số khúc xạ
Độ lớn hình
học
Sự lan truyền ánh sáng
Chỉ số
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 6 khúc xạ n1≈1.527
n2≈1.517
n1≈1.562 n2≈1.54
n1≈1.471 n2≈1.457
Khẩu độ số
0.2 đến 0.4 0.14 đến 0.3 0.1 đến 0.14
Băng tần
≈30MHz ≈1GHz ≈10GHz
Hình 1.2: Các kiểu sợi quang c. Phân loại theo mode lan truyền
Căn cứ vào số mode truyền dẫn trong sợi, tất cả các sợi quang được nhóm thành hai nhóm:
Loại sợi đa Mode: là loại sợi chiết suất phân bậc có đường kính lõi vào khoảng 100÷200μm và sợi chiết suất biến đổi có đường kính lõi sợi vào khoảng 50μm và 62.5μm. Hiện tại sợi quang đa mode vẫn được sử dụng trong các thiết bị hoặc dùng làm cáp cho mạng LAN. Ưu điểm của loại này là khẩu độ số lớn thuận tiện cho truyền dẫn nhiều băng tần truyền dẫn, như vậy sẽ làm đơn giản các thiết bị và phát huy lợi nhuận tối đa.
Tuy nhiên do sự trễ về thời gian giữa các mode truyền dẫn, xung ánh sáng sẽ lan rộng tương ứng khi độ dài sợi tăng và sẽ gây ra giới hạn về băng tần truyền dẫn.
Loại sợi đơn mode: trong sợi đơn mode, đường kính lõi sẽ được giảm nhỏ cho đến khi chỉ có duy nhất một mode truyền trên sợi quang. Kích thước vật lý của sợi đơn mode vào khoảng dưới 10μm, đây cũng là kích thước để một mode truyền trong nó được bảo đảm là tối ưu.
Tuy nhiên cần phải chú ý rằng sợi đơn mode sẽ là sợi đơn mode khi và chỉ khi bước sóng của xung ánh sáng λ lớn hơn λc với:
λc=2𝜋𝛼
2.405√𝑛12− 𝑛22 là bước sóng cắt (cutoff wavelength)
Sợi có tán sắc không Zero dịch chuyển (Non-Zero dispersion shifted fibers NZ-DSF)
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 7 Sợi đơn mode hiện nay không nhất thiết phải có chỉ số chiết suất nhảy bậc. Thay đổi chỉ số chiết suất của sợi quang cần quá trình công nghệ tinh vi, phức tạp, các đặc tính của sợi có thể thay đổi rõ rệt. Thay đổi chiết suất sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến tán sắc ống dẫn sóng (waveguide dispersions) một phần của tán xạ màu sắc (Chromatic dispersion).
Sợi đơn mode thông thường ( standard single mode fiber-SSMF) theo khuyến nghị G650, G652
Loại sợi này được chế tạo để có tán xạ màu sắc bằng không tại bước sóng 1300nm ví dụ đối với các sợi quang do Alcatel chế tạo thì đây là sợi ASMF 200.
Sợi đơn mode có tán sắc dịch chuyển (Dispersion shifted fiber DSF) theo khuyến nghị G655
Đối với loại sợi này tán sắc ống dẫn sóng sẽ được thay đổi trên dường đi của tia sáng để có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550nm.
Sợi đơn mode có tán sắc không Zero dịch chuyển (Non-Zero dispersion shifted fibers NZ-DSF) theo khuyến nghị G655
Về cơ bản, nguyên lý truyền dẫn của loại sợi này cũng giống như sợi DSF.
Nhưng tán xạ màu sắc sẽ không bằng không tại bước sóng 1550nm. Nó sẽ có tán xạ màu sắc bằng không tại bước sóng <1440nm. Trong các loại sợi do Alcatel chế tạo thì đây là sợi TeraLightTM.
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khả năng truyền dẫn và sự xuất hiện của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng mới (ghép kênh quang theo bước sóng với mật độ dày- Dense Wavelength Division Multiplexing- DWDM) thì chỉ có hai trong số các loại sợi quang kể trên có thể được lựa chọn. Hoặc sợi đơn mode thông thường phối hợp với sợi bù tán sắc (DCF- Dispersion Compensation Fiber), hoặc là sợi có tán sắc không zezo dịch chuyển NZ-DSF có thể được chọn bởi các thông số cơ bản của chúng có hiệu quả trong một vùng lớn cả điểm tán xạ màu và vùng xung quanh tán xạ này. Cả hai giải pháp này đều phù hợp cho công nghệ ghép kênh quang DWDM với khoảng cách giữa các kênh ghép là rất nhỏ với tốc độ truyền dẫn lớn trong một đường truyền rất dài.
d. Vật liệu chế tạo sợi quang
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 8 Phần trên ta đã nghiên cứu cơ bản về cấu trúc sợi quang. Nhìn chung chúng có cấu tạo gồm lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi quang dài và rất mảnh. Do yêu cầu truyền tín hiệu cho cự ly xa và tốc độ lớn nên chúng phải được cấu tạo bằng các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng.
Như vậy, trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo sợi quang, vật liệu đó cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
Đảm bảo tạo được các sợi quang dài, mảnh và mềm dẻo.
Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các bước sóng làm việc thông dụng (1300, 1550nm) tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao.
Các vật liệu chế tạo ra lõi, vỏ của sợi phải có bản chất vật lý tương thích để tạo ra sự chênh lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ là khá nhỏ.
Tổng hợp các yêu cầu trên, người ta thấy rằng trong tất cả các vật liệu từ trước đến nay con người đã tạo được thủy tinh và chất dẻo trong suốt là vật liệu phù hợp nhất. Các loại sợi được chế tạo có lõi là thủy tinh có suy hao lớn thì dùng cho các tuyến truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp còn sợi chế tạo từ thủy tinh có độ suy hao nhỏ thì sử dụng rộng rãi trong các tuyến có cự ly xa, tốc độ cao và các hệ thống thông tin quang tiên tiến. Các loại sợi bằng chất dẻo ít được sử dụng vì có suy hao lớn hơn thủy tinh, nó chỉ dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi có tác động cơ học mạnh, nơi mà yếu tố chất lượng truyền dẫn không phải đặt lên hàng đầu.
Sợi thủy tinh
Thủy tinh được chế tạo từ các hỗn hợp Oxit kim loại nóng chảy sulfide hoặc selenide. Chúng tạo ra một vật liệu có cấu trúc một mạng phân tử liên kết hỗn hợp.
Loại thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thủy tinh Oxit. Trong đó, Silic Dioxit (SiO2) là loại Oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi. Nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850nm là 1.458. Để tạo ra hai loại vật liệu gần giống nhau làm lõi và vỏ phản xạ của sợi, nghĩa là chỉ số chiết suất hơi lệch nhau, người ta phải thêm vào hàm lượng Flo và các oxit khác nhau như B2O3, GeO2 và P2O5. Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thì thêm GeO2 và P2O5 vào SiO2 còn nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thì thêm B2O3 vào. Sợi dẫn quang có chiết suất lõi lớn hơn vỏ (để đảm bảo phản xạ toàn phần), vậy ta có thể thấy hỗn hợp vật liệu tạo ra các sợi như sau:
- Sợi có lõi GeO2-SiO2 và vỏ phản xạ SiO2
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 9 - Sợi có lõi P2O5- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2
- Sợi có lõi B2O3- GeO2-SiO2 và vỏ phản xạ B2O3-SiO2
- Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2O3-SiO2
Trong thực tế vật liệu thô của SiO2 chính là cát, một nguồn tài nguyên sẵn có và vô tận. Thủy tinh tạo từ SiO2 có đặc điểm quan trọng là biến dạng tại nhiệt độ khoảng 1000℃, rất ít bị nở khi nhiệt độ tăng, tính bền vững hóa học cao. Trong suốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy (vùng hồng ngoại) do đó rất thích hợp cho thông tin sợi quang. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là cần có công nghệ chế tạo cao.
Sợi thủy tinh Halogen
Năm 1975, các nhà nghiên cứu tại trường đại học tổng hợp Rennes đã phát minh ra loại thủy tinh Fluoride có suy hao truyền dẫn rất nhỏ ở vùng bước sóng giữa hồng ngoại (200÷8000nm) và suy hao thấp nhất ở vùng quanh bước sóng 2250nm. Thủy tinh Fluoride là thủy tinh thuộc hệ Halogen từ các nguyên tố nhóm VII của bảng tuần hoàn hóa học đó là Flo, Clo, Brom, Iot. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tập trung vào phân tích các vật liệu thủy tinh Fluoride kim loại nặng trong đó chủ yếu chứa thành phần ZrF4- BaF2- LaF3- AlF3- NaF gọi là sợi ZBLAN.
Loại sợi thủy tinh Fluoride có suy hao rất nhỏ cỡ khoảng 10-3dB/km ÷ 10-
2dB/km tạo ra tiềm năng lớn cho ngành thông tin quang. Tuy nhiên vẫn còn hạn chế là mặt công nghệ chế tạo và độ dài sợi.
Sợi thủy tinh tích cực
Những kết quả nghiên cứu của những nhà khoa học về sợi dẫn quang cho ra các đặc tính từ và quang mới là việc kết hợp các nguyên tố đất hiếm vào sợi thủy tinh thụ động bình thường. Đặc tính này cho phép các sợi thủy tinh có thể khuếch đại, suy hao và làm trễ pha tín hiệu ánh sáng trong truyền dẫn quang, quá trình pha tạp ở đây có thể tiến hành ở cả sợi silic lẫn sợi halogen.
Các loại sợi vỏ chất dẻo
Phần trên ta đã xem xét cấu tạo của các loại sợi có vỏ và lõi đều là thủy tinh.
Những sợi này là yếu tố quan trọng trong những tuyến thông tin quang cự ly dài và tốc độ lớn.
Đối với những cự ly ngắn (vài trăm mét) người ta sử dụng các loại sợi có vỏ chất dẻo nhằm giảm chi phí, vì cự ly này cho phép sử dụng các loại sợi có suy hao lớn. Sợi
Mai Hữu Xuân- Kỹ Thuật Thông Tin và Truyền Thông K53 Page 10 này còn được gọi là sợi thủy tinh vỏ chất dẻo PCS (Plastic Clad Silica), vỏ thường chế tạo từ hợp chất polimer có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi SiO2.
Giá trị chiết suất vỏ này khoảng 1.405 tại bước sóng 850nm, nhựa silicon sẽ thỏa mãn không những thế nhựa silicon còn tham gia chế tạo vỏ bảo vệ sợi quang. Thông thường sợi thủy tinh có vỏ phản xạ là chất dẻo là loại chỉ tồn tại ở dạng sợi có chiết suất phân bậc, chúng lại có đường kính lõi khá lớn (150÷600μm).
Sợi này có khẩu độ số khá lớn nên cho phép sử dụng với nguồn quag có góc phát xạ lớn. Vì thế cho phép giảm giá thành hệ thống một cách đáng kể.
Sợi chất dẻo
Là loại sợi chiết suất phân bậc có cả lõi và vỏ phản xạ đều bằng chất dẻo. Loại sợi này chỉ đáp ứng được cự ly truyền dẫn không quá 100m vì suy hao rất lớn nên ngày nay hầu như không được sử dụng.