Công nghệ sợi quang

LỜI NÓI ĐẦU: ====***==== Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Trong vòng mười năm qua, cùng với sự vượt bậc của công nghệ điện tử , viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã được khai thác phổ biến trên mạng lưới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó. như ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn, nội dung cuốn sách ‘ Đồ án tốt nghiệp‘. Này chỉ nói được một phần trong sợi quang nên đang còn nhiều hạn chế và thiếu sót vậy mong các thầy cô giúp đỡ nhiều. Em xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1 TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Từ xa xưa loài người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ ra gương.... Ý tưởng truyền ánh sáng trong sợi thuỷ tinh có thể coi bắt nguồn từ thí nghiệm về ‘’ suối ánh sáng ‘’ của john Tydll ở anh vào thế kỷ thứ 19 ( năm1870).Người ta quan sát ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể truyền qua một dòng nước hẹp do hiện tượng phản xạ toàn phần . Các thí nghiệm đầu tiên về truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tin được thực hiện ở đức vào năm 1930. Do các sợi thuỷ tin lúc bây giờ chỉ có một lớp chiết xuất nên dễ gãy và suy hao rất lớn . Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đã cho phép phát triển những ứng dụng mới trên sợi quang.Sau khi laser ra đời, người ta đã thực hiện những hệ thống thông tin quang thử nghiệm ,lấy không khí làm môi trường truyền dẫn như thông tin bằng sóng vô tuyến. Nhưng việc truyền ánh sáng trong không khi thường bị hạn chế bởi điều kiện hạn chế do tính truyền thẳng của tia cũng như các điều kiện thời tiết như mưa bão, sương mù,nhiệt độ thay đổi..., làm cho thông tin mất ổn định hơn sóng vô tuyến .Người ta dự tính có thể truyền qua những khoảng cách xa nhờ sợi quang, nhưng suy hao của sợi quang ở thời điểm này là rất lớn ( 1000dB/km vào năm 1967 ). Do vậy ,việc sử dụng sợi quang chỉ là hạn chế ở những khoảng cách ngắn và trong phòng thí ngiệm . Vào năm 1970 người ta chế tạo thành công sợi quang bằng Silic có suy hao 20 dB/km. Năm 1976 ,hệ thống thông tin bằng sợi quang dài 10km lần đầu tiên được lắp đặt tại Atlanta (Mỹ) với tốc độ 45Mbit/s . Với những tiến bộ đạt được trong việc chế tạo các linh kiện vi điện tử , điện quang và những công nghệ mới như khuếch đại quang, ghép kênh theo bước sóng, đã giúp chúng ta thực hiện các hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến 40 G bit/ s với cự li đến hàng nghìn Km (tuyến SEA - ME - WE 3) Các hệ thống truyền dẫn quang không những được sử dụng ngày càng nhiều trong mạng viễn thông mà còn thêm nhiều ứng dụng trong hệ thống công nghiệp và dân dụng . 1.2.CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG a).hệ thống truyền dẫn quang có những ưu điểm sau: Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 THz ở nm) và suy hao thấp (0,2 – 0,25 dB / KM ở bước sóng 1550nm). độ rộng băng tần lớn và suy hao thấp điều này cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li rất xa. Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễm điện từ . Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị rò sóng điện từ như cáp kim loại. Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi a xit, kiềm, nước có độ bền cao. Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh. b).Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn quang: - Không truyền dẫn được nguồn năng lượng có công suất lớn , chỉ hạn chế ở mức công suất cở vài miliwat. - Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li hệ thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại . - Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo các linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối là trong việc hàn nối là phức tạp. - Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn được đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện . 1.3. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ BẰNG CÁP SỢI QUANG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG. 1.3.1.Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cường độ tách sóng trực tiếp. Trong hệ thống điều chế cường độ – thu trực tiếp , người ta dùng tín hiệu điện để điều chế cường độ bức xạ của nguồn quang. ở đầu thu và tín hiệu được tách ra trực tiếp trên diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận được . Các hệ thống truyền dẫn hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên.hệ thống điều chế cường độ thu trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện do các phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang đều không đòi hỏi cao về các thông số, chế độ hoạt động : bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực nhưng khi truyền dẫn ở tốc độ cao từ 2,5 Gbit/s trở lên thì độ nhạy thu bị giảm mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng được băng tần rất rộng của sợi quang ( hàng chục nghìn GHz). Khối ghép kênh Bộ điều khiển Nguồn quang Trạm Lặp Khuếch đại Khôi phục tín hiệu Khối Tách Kênh Các luồng tín hiệu điện Các luồng tín hiệu điện Các hệ thống thông tin quang hiện nay truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn phân cấp đồng bộ (SDH): 155 Mbit/s 622M bit/s 2500M bit/s và 10Gbit/s. Nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang, cự li các tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5 Gbit/s trên đất liền đạt khoảng 150 Km . với hệ thống cáp quang thả biển, người ta đã thực hiện tuyến 2,5 Gbit/s có chiều dài 10.073Km trên tuyến sử dụng 199 bộ khuếch đại quang EDFA.(Erbium Doped Fiber Amplifier ) Bộ biến đổi E/0 Bộ biến đổi O/E Cáp Cáp Quang Quang Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang HỆ THÔNG TIN QUANG GỒM CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH : Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2Mbit/s, 34Mbit/s, 140M bit/s,158Mbit/s..)thành luồng tín hiệu có tốc độ bit cao hơn và ngược lại . Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu thành các tín hiệu quang để truyền vào sợi quang . Các hệ thống thông tin quang coherent trong tương lai thì áp dụng nguyên lý điều pha hoặc điều tần tín hiệu quang. Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. Trạm lặp : Hoặc là bộ khuếch đại quang đối với tuyến có tín hiệu dài . Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín hiệu điện , khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu . CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Đà PHÁT TRIỂN QUA 4 THẾ HỆ: Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( Step Index – SI ) và chiết suất biến đổi ( Graded Index – GI ), hoạt động ở bước sóng 850nm. Linh kiện thu, phát thường được sử dụng là LED và diode PIN. Thế hệ 2:Sử dụng sợi quang đa mode, GI, hoạt động ở bước sóng 850n mvà 1300nm. Nhờ sử dụng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 2 có thể truyền hàng chục Mbit/s qua cự ly vài chục km (B.L~ 1000MHz. Km). Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bước sóng 1300nm. Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao hơn nhiều sợi quang đa mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 3 có thể truyền tốc độ hàng trăm Mbit/s qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km. Thế hệ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bước sóng 1550nm. ở hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 4, người ta bắt đầu sử dụng các diode laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố DFB-Ditributed Feedback ), cho phép truyền tốc độ 2.5Gbit/s qua cự ly 150 – 200km không cần trạm lặp.Trong thời gian tới, phương hướng phát triển chính của công nghệ thông tin cáp sợi quang tiếp tục phát triển hệ Trong thống IMDD song song với công nghệ ghép kênh theo bước sóng, thời kỹ thuật khuếch đại quang sợi ( EDFA ) và kỹ thuật bù tán sắc. Mục đích là tăng tốc độ truyền dẫn lên hàng chục Gbit/s và cự ly trạm lặp lên hàng trăm km. Sợi hồng quang- Hệ thống quang coherent – Ghép WDM 1000 Hướng trong tương lai DFBLD-( hồi tiếp phân bố) 1500nm 100 1300nm 10 850nm sợi đa mode sợi đơn mode 1 0.01 0.1 1 10 100 tốc độ bit (G bit/sd ) Hình 1.2. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang. 1.3.2. Hệ thống thông tin quang Coherent: Độ nhạy thu( dBm ) thu trực tiếp -40 thu Coherent -60 -80 102 103 104 Tốc độ đường truyền ( Mbit/s ) Hình 1.3. Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ đường truyền . Từ nhiều năm nay, người ta đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm vể hệ thống thông tin quang coherent. các ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang coherent so với. Hệ thống điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng là : Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15-20dB. Điều này cho phép tăng cự li truyền dẫn không cần trạm lặp từ 75-100km. Nâng cao năng lực truyền dẫn nhờ khả năng sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số (FDM). với kỹ thuật FDM, chúng ta có thể sử dụng một băng thông rộng khoảng 20.000Ghz (ở bước sóng 1500mm-1600mm). Tương đương với khả năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại trên một đôi quang. SƠ ĐỒ MỘT HỆ THỐNG COHERENT CÓ THỂ BIỂU DIỄN NHƯ HÌNH VẼ: Tín hiệu vào Diode Điều Bộ khuếch đại Laser chế ngoài Cáp sợi quang quang Điều Khối thu Mạch Khuếch Tín hiệu ra khiển quang trung tần đại và giải phân cực điều chế Bộ dao động nội Hình 1.4 Sơ đồ một hệ thống thông tin quang coherent Ở đầu phát : tín hiệu quang được điều chế trên nguyên lý dịch pha PSK PSK: hoặc khoá dịch tần FSK kỹ thuật FSK cho PHép giảm độ thu xuốnh 2-3dB, nhưng yêu cầu bề rộng phổ của nguồn phát rất hẹp (tỷ số bề rộng phổ/tốc độ truyền ~10-4) trong khi kỹ thuật FSK yêu cầu tỷ số bề rộng phổ/ tốc độ truyền ~10-1). Sợi quang: Sợi quang dùng trong hệ thống coherent có thể là loại sợi quang đơn mode thông thường hoặc sợi đơn bảo toàn phân cực . Nếu sử dụng sợi đơn mode thường, trước bộ thu ta cần sử dụng bộ điều chỉnh phân cực . Khối thu: Trong hệ thống coherent , khối thu được chia thành hai loại heterodyne và homodyne. ở đầu thu, tín hiệu thu được trộn với tín hiệu dao động nội. trong bộ thu heterodyne, tần số bộ dao động nội khác tần số của tín hiệu tới. đối với bộ thu homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số tín hiệu Kỹ thuật thu hemodyne nhạy hơn thu hemodyne khoảng 3 dB nhưng rất khó thực hiện bởi tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu được. Hệ thống thông tin quang kết hợp sẽ được phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng chục Gbit/s trở lên qua những khoảng cách rất xa nhưng chưa được sử dụng trong thực tế do những khó khăn về công nghệ chế tạo và giá thành . 1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG: Các nghiên cứu về truyền dãn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và cự li tăng giữa các khoảng lặp . Các hướng phát triển của kỷ thuật thông tin cáp sợi quang hiện nay là: 1.4.1.Sự dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( WDM ): Trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng, người ta sử dụng nhiều nguồn quang (thường là laer hồi tiếp phân bố DFB có bề rộng phổ rất hẹp ), hoạt động ở các bước sóng khác nhau. khoãng cách giữa các kênh được chọn phụ thuộc vào sự ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của bộ ghép kênh /tách kênh, chẳng hạn là nm. Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bước sóng được mô tả (hình vẽ 1.5 ). Trong khoảng từ bước sóng 1545.6nm – 1570.6nm , người ta có thể ghép được 18 kênh, nếu mỗi kênh truyền 2.5 Gbit/s, tương đương 30 240 kênh thoại hệ thống sẽ có khả năng truyền 500 000 kênh thoại trên một đôi quang Hiện nay người ta đã thực hiện được hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc độ 40 Gbit/s bằng cách ghép kênh theo bước sóng 16 luồng tốc độ 2.5 Gbit/s DBF18 l MUX l DEMMUX l1 DBF1 To Op l1 l2 DBF2 l2 õõ l18 l18 Single- Mode Fiber -10 l1 = 1,527nm l18 = 1,561nm -20 2nm®êê¬ -30 -40 -50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1,544.5 1,510.5 1,540.5 Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng 1.4.2.Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ( FDM – Frequency Division Multiplex). Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn còn lớn hơn rất hiều so với kỹ thuật. Ghép kênh theo bước sóng. khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 5GHz( tương đương 0.04nm ở bước sóng 1550nm), trong khi giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng khoảng 250 GHz tức 2nm.Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2.5 Gbit/s, ta có thể truyền một dung lượng tương đương30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh thoại trên một đôi sợi quang. CHƯƠNGII CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 2.0.GIỚI THIỆU CẤU TRÚC TỔNG THỂ VỀ SỢI QUANG. Cấu trúc của sợi quang như (hình2.0), gồm một lõi thuỷ tinh hình trụ tròn và vỏ thuỷ tinh bao quanh lõi. Lõi thuỷ tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thuỷ tinh có tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp lõi và vỏ. Muốn vậy chỉ số khúc xạ hay gọi là chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ. 2a d lõi vỏ Hình 2.0.Cấu trúc tổng thể của sợi quang. Tuỳ từng loại sợi mà có sự phân bố chiết suất khác nhau trong lõi sợi. Nếu chiết suất phân bố đồng đều thì được gọi là sợi chiết suất bậc, nếu sợi phân bố theo quy luật tăng dần thì gọi là sợi chiết suất giảm dần. Kích thước của sợi phụ thuộc vào loại sợi, loại thứ nhất có đường kính 2a = 50mm gọi là sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đường kính 2a 10mm goi là sợi đơn mode. Đường kính vỏ ( d ) của các loại sợi đều bằng 125mm. Tổng hợp cả phân bố chiết suất và kích thước của lõi để chia thành ba loại sợi, đó là sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất giảm dần, và sợi đơn mode( chiết suất bậc). 2.1.LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG: Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang: Có thể nói chung nhất có thể coi ánh sáng là: một chùm các phần tử hạt rất bé được phát ra từ một nguồn sáng . các phần tử này được hình dung như đang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. a). Chiết xuất của môi trường : Chiết xuất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc của ánh sáng ấy . n = c/v ( 2.1 ) n: chiết xuất môi trường , không đơn vị. c: vận tốc ánh sáng truyền trong chân không , đơn vị m/s. v : vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường , đơn vị m/s. Vì v £ c nên n ³ 1. 1,50 1,49 1,48 ng = n - l 1,47 1,46 1,45 1,44 n 1,43 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 2,0 l ( m ) Hình 2.1. Sự thay đổi chiết suất n & chiết suất nhóm ng theo l Chiết xuất của vài môi trường thông dụng : không khí : n = 1,00 có thể được xem bằng 1 Nước : n = 1,33 Thuỷ tinh : n = 1,49 » 1,50 Chiết xuất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng : Tổng quát , khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt phân cách đến môi trường 2 thì tia sáng được tách thành hai tia mới: một tia phản lại môi trường 1 và một tia khúc xạ vào môi trường 2 . tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau : Cùng nằm trong một mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới ); Góc phản xạ bằng góc tới : f1= f2 Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell: n1 sinf1 = n2 sin f2 ( 2.2 ) Tia tới pháp tuyến tia phản xạ f1 q’1 Môi trường 1 : n1 q1 Mặt ngăn cách Môi trường 2 : n2 f2 q2 Tiakhúc xạ Hình . 2.2. hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. c). Sự phản xạ toàn phần : Từ công thức Snell đã nêu trên ta thấy : Nếu n1 f2 : tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến . Nếu n1 > n2 thì f1 < f2 : Tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn. Trong trường hợp n1 > n2 nếu tăng q1 thì q2 cũng tăng và q2 luôn luôn lớn hơn q1. khi f2 =90o, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì f1 được gọi là góc tới hạn qc. Nếu tiếp tục tăng f1> fc thì không còn tia khúc xạ nữa mà chỉ còn tia phản xạ ( hình 2.2 ) Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng ( công thức Snell ) với f2 = 900 có thể tính được góc tới hạn fc : Sin fc = hay qc = Ví dụ : Góc tới hạn giữa thuỷ tinh ( n1 = 1,50 ) và không khí ( n2 = 1 ) được tính Sin fc = = » 0,66 Þ fc »410 Phát tuyến Tia tới 2 3 fc 1 Tia phản xạ 1 f1 n1 1 2 Mặt ngăn cách ( n1> n2 n2 f2 3 Tia khúc xạ Hình 2.3. Sự phản xạ toàn phần. 2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang : a. Nguyên lý truyền dẫn chung. T n2 n(r) Lớp vỏ n1 Lớp lỏi no Lớp vỏ Hình 2.4.. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sơi quang được chế tạo thành một lỏi ( core) bằng thuỷ tinh có chiết xuất n1 và một lớp vỏ phản xạ ( hình2.4) ánh sáng truyền trong lỏi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần( phản xạ toàn phần ) trên mặt tiếp giáp giữa lỏi và vỏ phản xạ. do đó ánh sáng có được truyền trong sợi có cự li dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn. b). Khẩu độ số: ( Numerical Aperture ): Sự phản xạ toàn phần chỉ xẫy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn qc (hình 2.5). sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số , ký hiệu NA; NA = sin qc ( 2.3 ) n1 B 2 A qc 1 n1 qmax n1 n2 Hình .2.5. Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau Áp dụng công thức Snell tính NA: Tại điểm A đối với tia 2: no sinqmax = n1sin (90o - qc) Mà : no = 1 (chiết xuất của không khí ). Sin (90o -qc) = cos qc Sin (90o -qc) = = , vì sin qc = Do đó : NA = sin qmax = » n1 ( 2.4 ) Trong đó : D = » : độ chênh lệch chiết suất tương đối Độ chênh lệch chiết suất tương đối D có giá trị khoảng từ 0,1đến 0,3 (tức là từ 1¸3% ).Đối với sợi đa mode.0,2¸1,0% đối với sợi đơn mode. 2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang: Cấu trúc chung của sợi quang bao gồm một lỏi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn . chiết suất trong lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất trong lỏi, nói chung thay đổi theo bán.kính ( khoảng cách tính từ trục của sợi ra ). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau : Trong đó : n1 : chiết suất lớn nhất của lỏi. n2 : chiết suất lớp bọc . : độ chênh lệch chết suất . r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất . A : bán kính lỏi sợi . B : bán kính lớp bọc. g : số mủ định biến thiên , g ³ 1 . Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác . g = 2 : dạng parabol. g = ¥ : dạng nhảy bậc. Đường biểu diễn các dạng phân bố chiết suất như hình ( 2. 6 ). nmax=n1 n(r) g = ¥ g=1 g=2 b a 0 a b Hình 2.6. Các dạng phân bố chiết suất . a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( SI : Step – Index ) : Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giãn nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang . các nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như hình 2.7 . khôngkhí b a n2 n(r) n2 < n1 o 1 n1 a n1 2 3 b n2 r n0 Hình 2.7. Truyền ánh sáng trong sợi quang SI. Các tia sáng truyền trong lỏi sợi cũng có vận tốc ( vì Vph = C/n1,ở đây n1 không đổi ) mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện tượng : khi đưa một xung vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do hiện tượng tán sắc ( dispersion ), sẽ được đề cập ở phần sau. Nói chung lọai sợi này có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi nên được gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc. Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần . b)Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi GI : Graded – Index ) : Hình2.8. Các tia sáng truyền trong lõi sợi đa chiết suất Gradient. , (2.5) Vì chiết suất này thay đổi một cách liên tục nên các tia sáng truyền trong lỏi .Bị uốn cong dần. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng không thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn ( Vph = C/n ) và ngược lại , các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn . Tia truyền dọc theo trục có đường ngắn nhất nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất . nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol ( g =2 ) thì đường đi của tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau . độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.nói tóm lại loại sợi này có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số chiết suất Gradien. c).Các dạng chiết suất khác: Có hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến. Ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như : *Dạng chiết suất lớp bọc ; ( Hình 2.9a ) Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất D nhưng có chiết suất lõi n1 không cao. *Dạng dịch độ tán sắc : ( Hình 2.9b ) Như sẽ phân tích sau này , độ tán sắc của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm . Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1500nm bằng cách dùng sợi quang có chiết suất như ( Hình 2.8b). *Dạng san bằng tán sắc : ( Hình 2.9c ) Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoãng bước sóng. chẳng hạn đáp ứng cho kỷ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có chiết suất như (hình 2.9c). Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong phòng thí nghiệm cứ chưa đưa ra thực tế . A b c Hình 2.9. Các dạng chiết suất đặc biệt. 2.1.4. Sợi đa mode và đơn mode Có hai hướng khảo sát truyền ánh sáng trong sợi quang : một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng . thông thường lý thuyết tia được sử dụng vì nó đơn giãn, dễ hình dung. song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia đễ diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. mode là một trong những khái niệm đó . Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang đễ xác định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức đã xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn sóng. trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải phương trình mà chỉ nêu các thông số rút ra từ kết quả có liên quan . a . NA = K . a . NA Đến đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang . một mode song là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. khi truyền sợi trong ánh sáng đi theo nhiều đường , trạng thái ổn định của các đường này gọi là những mde . có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. các mode được ký hiệu : LP Vm VớI V = 0,1,2... Và m = 1,2 ..mode thấp nhất là LP01. Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có thừa số V . Trong đó a : Bán kính lỏi : Bước sóng , K là số sóng NA : Khẩu độ số Vậy số mode N truyền trong sợi được tính gần đúng như sau: Trong đó : V: Thừa số V g : Số mũ trong hàm chiết suất Số mode truyền được trong sợi chiết suất bậcSI là g®¥: Với sợi có chỉ số chiết suất giảm dần g = 3 thì số mode là: Tóm lại : sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là đa mode, sợi chỉ truyền được một mode gọi là đơn mode . a)Sợi đa mode: Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên có thừa số V và số mode N lớn. các thông số của loại đa mode thông dụng là : 50mm 50mm 125mm 125mm n n n1 n0 n2 n0 n2 n0 x x sợi SI sợi GI Hình 2.10. Kích thước sợi đa mode . Đường kính lõi d = 2a » 50 m m Đường kính lớp bọc D = 2b » 125 m m Độ lệch chiết suất D » 1% Chiết suất lớn nhất của lõi n1 » 1,45 Sợi đa mode có thể là chiết suất bậc hoặc chiết suất giảm dần ( hình 2.10 ) b). Sợi đơn mode: Khi giảm kích thước lõi sợi đễ chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là sợi đơn mode . trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số V < vc1 = 2,402. Vì chỉ có một mode truyền sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc đo nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất bậc ( hình 2.11.) Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là : Đường kính lõi d = 2a = 9m m ¸ 10mm Đường kính lớp bọc D = 2b = 125 mm Độ lệch chiết suất D » 0,3 % Chiết suất lõi n1 » 1,45 10mm n0 n2 n1 n 125mm D = 0,3% Hình 2.11. Kích thước sợi đơn mode. Độ tán sắc của sợi đơn mde nhỏ hơn nhiều so với sợi da mode ( kể cả loại sợi GI) đặc biệt ở bước sóng l = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( gần bằng không ). Do đó , dãi thông của sợi đơn mode rất rộng , song vì kích thước của sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối quang cũng có độ hàn nối cao yêu cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode cũng có thể dùng phổ biến. 2.2 SUY HAO SỢI QUANG: 2.2.1Định nghĩa : Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về khoãng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang. Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ tương tự tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng : - a . l P ( L ) = P ( O ) * 10 10 ( 2.7 ) Trong đó : P ( O ) : Công suất đầu sợi ( L = O ) P ( L ) : C ông suất cự ly L ( Km ) tính từ đầu a : Hệ số suy hao Độ suy hao của sợi được tính bởi : A ( dB ) = 10 lg ( 2.8 ) Trong đó P1 = p ( 0 ) : Công suất đưa vào đầu sợi P2 = P ( L ) : C ông suất ở cuối sợi a ( dB / Km ) = ( 2.9 ) Hệ số suy hao hay hệ số trung bình : Trong đó A = Suy hao của sợi L = Chiều dài của sợi Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối mà có quan hệ công suất hoặc mức , do đó phép đo đơn giản hơn. P P1 P2 L Hình 2.12. Sự suy giảm công suất của sợi quang 2.2.2..CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY SUY HAO TRÊN SỢI QUANG : Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi do bị suy hao do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chổ bị uốn cong. Ngoài ra còn có thể kể thêm suy hao hàn nối do hiệu suất ghép quang. a). Suy hao do hấp thụ : Sự hấp thụ do các tạp chất kim loại : Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là sắt( Fe ), Đồng ( Cu ), Mangan ( Mn ), Crôm ( Cr ), Coban ( Co ), Niken ( Ni) Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó.Với nồng độ tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vài tạp chất được biểu diễn như hình dưới đây : a( dB /km) 600 500 400 Mn Cu 300 200 Fe 100 l (mm) 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Hình 2.13. Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại . Như vậy đễ có được sợi quang có đọ suy hao đưới 1dB / Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ . Sự hấp thụ của ion OH : Sự có mặt của ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kẻ. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 9950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao ở sợi quang. Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion OH trong lõi được giữ ở mức dưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nó . a ( dB/Km) 3 2 1 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 l (mm) Hình 2.14. Độ hấp thụ ion OH HẤP THỤ BẰNG CỰC TÍM VÀ HỒNG NGOẠI : a(dB/Km) 100 suy hao do hấp thụ cực tím 10 1 suy hao do hấp thụ hồng ngoại 0,1 0,01 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 (mm) Hình 2.15. Suy hao do hấp thụ vùng cực tím & hồng ngoại Ngay khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xẫy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như trên ( hình 2.15 ) .Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuy hướng sử dụng bước sóng dài trong thông tin quang b)Suy hao do tán xạ : Tán xạ Rayleigh : Nói chung, khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chổ không đồng nhất sẽ xẫy ra hiện tượng tán xạ. những chổ không đồng nhất trong sợi quang do những sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh , các khuyết tật của sợi quang như : bọt không khí, các vết nứt .. Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoãng một phần mười bước sóng thì trở thành những nguồn điểm để tán xạ . Các tia sáng truyền qua những chổ không đồng nhất này sẽ toả theo nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng của ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang . Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài . a (dB/Km) 5 atx (l) = atx (l) (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 l ( m m ) Hình 2.16. Suy hao do tán xạ Raylegh. Trong (2.10 ) a tx ( lo ) là hệ số tán xạ tại mỗi bước sóng mẫu lo , Xác định theo vật liệu chế tạo sợi . Đối với thuỷ tinh Silica thì có lo = 1mm và atx ( lo ) = 0,8dB / Km. ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoãng 1 đến 2 dB/Km và ở bước sóng 1300nm suy hao cở khoãng 0,3dB /Km. Cần lưu ý rằng tán xạ Rayleigh là một nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường các máy đo quang dội . Tán xạ do mặt phân cách giửa lỏi và lớp bọc không hoàn hảo . Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo._. giữa lỏi và lớp bọc , tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới giới hạn sẽ khúc 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( không cố hữu)của sợi, khi bất kỳ một sợi quang nào bị uốn cong theo đường cong có bán kính xác định sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoàI vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi sẽ bị suy hao. Có hai loại uốn cong trong sợi là: Vi uốn cong : Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chổ bị uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang tăng lên . Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chổ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn , sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chổ vi uốn cong và dẫn đến sự phát xạ năng lượng ra khỏi lỏi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chổ vi uốn cong, nhất về phía bước sóng dài . Uốn cong :Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn ( hình 2.17 ) Tuy nhiên không thẻ tránh được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Song nếu chúng ta giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể. Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị, thông thường 30nm đến 50nm. Bán kính uốn cong tối thiểu được quy định: = ( 2.11 ) a(dB/Km) 10 1 0,1 0,01 0 10 20 30 40 50 60 R ( mn ) Hình 2.17. Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R Độ suy hao do uốn cong có thể được tính theo công thức : aend = Trong đó :D : Độ lệch chiết suất R : Bán kính uốn cong a : Bán kính lõi g : Tham số mặt cắt d) . Suy hao do hàn nối : Khi hàn nối các sợi quang, chúng phải được nối các đầu sợi với nhau chuẩn trực. nếu lõi hai sợi không được gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất thì một phần ánh sáng qua lõi này sẽ không được qua sợi bên kia hoàn toàn và bị phản xạ ra ngoài gây suy hao. Nguyên nhân chính của suy hao này là việc không đặt đồng trục hai sợi quang, do vậy tạo nên suy hao rất lớn. Nếu có một khe nhỏ nào tồn tại chổ nối thì khe này tạo nên suy hao phản xạ, nếu độ lớn của phản xạ này lớn thì người ta gọi là phản xạ Fresnel. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đọ suy hao của mối hàn, thông thường xếp thành ba loại chính : + Chất lượng mặt cắt đầu sợi. + Vị trí tương đối giữa hai đầu sợi . + Thông số của hai sợi. Chất lượng mặt cắt đầu sợi : Suy hao của mối hàn trước tiên phụ thuộcvào công tác chuẩn bị . Các yêu cầu đối với mặt cắt là : Mặt cắt phẳng, không mẻ , không lồi. Mặt cắt phải sạch sẽ : không có bụi , chất bẩn. Mặt cắt phải vuông góc với trục . Góc nghiêng của mặt cắt càng lớn thì suy hao mối hàn càng cao ( hình 2.18 ). a( dB /km) 0,75 0,5 0,25 O 1 2 3 4 q ( độ ) Hình 2.18. Suy hao mối hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi. e). Suy hao ghép nối giữa sợi quang và linh kiện thu phát quang. Điều kiện đễ ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang được xác định bằng khẩu độ số NA . Khi so sánh về đặc điểm của LD và LED thì chúng có độ rộng chùm sáng khác nhau , khi ghép nối vào sợi quang thì laser có đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung nguồn sáng . Ngoài ra loại sợi SM và GI cũng có những đặc điểm khác nhau về suy hao ghép nối bởi vì chúng có những đường kính lõi khác nhau. Trong ghép nối sợi quang và linh kiện thu quang thì các loại sợi có NA lớn , loại sợi GI có suy hao lớn hơn loại sợi SM vì chùm sáng của loại sợi này bị trải rộng ra. Tuy nhiên sự khác nhau về suy hao do nguyên nhân chùm sáng nở rộng thì nhỏ hơn nhiều so với suy hao ghép nối bản thân nó. Suy hao do các thông số khác nhau: Mặc dù công tác chuẩn bị tốt, nhưng có sự khác biệt về thông số sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn. Các thông số của sợi ảnh hưởng đến mới hàn là : Đường kính sợi ( đường kính lõi , đường kính trường mode) Độ méo êlip. Khẩu độ số NA ( hay góc mở đầu sợi ) NA = sin qmax = n1 Suy hao mối hàn còn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai đầu sợi (hình 2.19 ) , bao gồm: Lệch trục : trục của hai sợi không song song với nhau. Lệch tâm : tâm của hai mặt cắt đầu sợi không trùng nhau. Khe hở : đầu hai sợi không khít nhau. a(dB) 1,2 1 0,.8 f/qmax 0,6 0,4 x/d d f 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 Hình 2.19. Suy hao do vị trí tương đối giữa hai đầu sợi. 2.2.3.Đặc tuyến suy hao: a(dB/Km) cửa sổ thứ nhất sợi được chế tạo những năm 70 100 50 20 10 sợi chế tạo những năm80 5 cửa sổ thứ ba 2 cửa sổ thứ hai 1 0,5 0,2 0,1 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 l(nm) Hình 2.20. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode. Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo từng chủng loại sợi nhưng tất cả đều thể hiện được đặc tuyến suy hao chung như đã phân tích . Một đặc tuyến điển hình như hình vẽ trên đây: Cần lưu ý rằng, trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp, gọi là ba cửa suy hao . * Cửa sổ thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 – 3 dB/Km. Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất. * Cửa sổ thứ hai có bước sóng 1300nm: Suy hao ở bước sóng này tương đối thấp khoãng từ 0,4 – 0,5 dB/Km. đặc biệt, ở bước sóng này có độ tán sác thấp nên được sử dụng rộng rãi. * Cửa sổ thứ 3 có bước sóng 1550nm: Cho đến nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, dưới 0,2 dB/Km.Trong những sợi quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm . Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ 3 sẽ có hai điểm lợi : suy hao thấp , và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nmsẽ được sử dụng rộng dãi trong tương lai, nhất là các tuyến cáp quang thả biển. 2.3 . TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG : 2.3.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán sắc. Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ suất hiện hiện tượng giãn xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp , các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó, ta không thể phân biệt các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh.Hiện tượng giãn xung hay còn gọi là hiện tượng tán xạ. P p AS AE 0 0 tS tE t Hình 2.21. ảnh hưởng của tán xạ lên tía hiệu số và analong ( S chỉ tín hiệu phát , E chỉ tín hiệu thu ) Nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian khác nhau của các tia ánh sáng phát đi đồng thời . Tán xạ ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể : * Khi truyền tía hiệu digital trong miền thời gian nó gây ra giãn rộng các xung ánh sáng . * Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm nhỏ ( tới giá trị AE trên (hình 2.21) và có hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn . 2.3.2.Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bit. Ở đây xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu digital . Một cách đúng, coi xung phát có độ rộng ts và xung thu có độ rộng tE có dạng quy luật phân bố Gauss ( xung hình chuông ). Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nữa biên độ lớn nhất ( hình 2.22 ). Khi thu về xung bị giãn rộng do tán xạ, với độ giãn rộng ( thời gian ) là t được tính theo công thức : t = ( 2.13 ) Trường hợp xung phát rất hẹp , ts << tE thì có thể coi gần đúng t » tE. Độ dãn xung t theo ( 2.13 ) có thể mức độ tán xạ tín hệu do sợi gây ra , và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền bit. Trường hợp công thức ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi quang được coi gần đúng như bộ lọc thấp với hàm truyền đạt Gauss. Hàm truyền đạt biên độ là: H ( ¦ ) = = e –3,5.t 2. ¦2 ( 2.14 ). Với P~ ( f ) là cộ suất xuay chiều ở tần số f. Đồ thị hàm truyền đạt biên độ ( 2.14 ) được miêu tả như ( hình 2.22 ) . Các xung ánh sáng theo phân bố Gauss truyền đưa qua sợi quang thì biên độ giảm theo quy luật : P = P max . ( 2.15 ) Xét đặc tính truyền dẫn của sợi nhờ hình vẽ ( 2.22 ). Khi biên độ của hàm H ( f ) giảm còn một nữa biên độ lớn nhất ( tương ứng giảm 3dB ), người ta nhận được tần số fB ( ở mức 3dB ), và định nghĩa độ rộng băng truyền dẫn B=fB ( từ f = 0 đến f = fB ). Thay giá trị ½ H (f)½ = 0,5 vào( 2.14 )nhận được B: H(f) B = = ( 2.16 ) 1 1 H(f)= P(t) 0 B fB f Hình 2.22. Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang. Trong thực tiễn nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động gây méo xung thẻ hiện qua các giá trị dãn xung thành phần t1 ,t2 ..., thì có tán xạ tổng cộng thể hiện là tổng : t2 = t12 + t22 +.. Nếu tương ứng với t1 , t2 .. có giá trị B1 ,,B2 .. thì độ rộng băng truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán xạ khác nhau là B vì theo công thức : Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C ( bit/s ). Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào của máy thu bị dãn rộng , nhưng hai xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung t còn nhỏ hơn độ rộng xung ts của xung phát đi, từ đố tốc độ bit là : C = = 2,27 .B » 2B Như vậy độ dãn xung t, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng nhau . Để truyền được 2bit/s theo công thức C » 2B cần có độ rộng băng tần khoảng 1 Hz. Trên thực tế để truyền được 2bit/s cần có độ rộng băng tần khoảng 1,6 Hz. Do đó trên thực tế có thể nói tốc độ bit lớn của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Muốn có sợi có độ băng tần truyền dẫn và tốc độ bit lớn thì phải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung t bé nhất . 2.3.3.các loại tán sắc : a). Tán xạ vật liệu : Vì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước sóng của tín hiệu lan truyền , tức là n = n ( l ). Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng l0 thì không có hiện tượng lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng vì chúng lan truyền theo cùng vận tốc. vf = c /n (l0) = const. ( vf = Vận tốc pha của sóng ánh sáng ) Vì độ dãn xung t ( tán xạ ) gây nên méo xung truyền dẫn , nên nó vừa hạn chế cự ly truyền vừa hạn chế băng truyền dẫn , nên để đánh giá năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có tán xạ, người ta đưa ra đại lượng đặc trưng là tích số độ rộng băng truyền và cự ly truyền dẫn BL B = B.L = . ( 2.17 ) Với t là độ giãn xung khi truyền qua độ dài 1 km. Rõ ràng độ dãn xung trên một kilomet thể hiện năng lực truyền dẫn của sợi trên ( hình 2.23 ) cho thấy sự phụ thuộc của D vào bước sóng của hai loại vật liệu là thuỷ tinh thạch anh ( SiO2 ) thuần và thuỷ tinh thạch anh có pha hoạt chất GeO2. D 100 SiO2 SiO2 + 15Mo1%GeO2 50 0 -50 800 1000 1200 1300 1400 1600 l (nm) Hình 2.23. Hệ số tán xạ vật liệu của các loại vật liệu . Theo (hình 2.23). người ta thấy ở bên cạnh bước sóng 1,3 mm thì thuỷ tinh thạch anh có giá trị D = 0. Hay có thể nói vùng bước sóng 1,3 mm thì không có tán xạ vật liệu. và ở bước sóng 1,3mm thì thuỷ tinh thạch anh cũng có tiêu hao rất bé. Do đó mà cửa sổ truyền dẫn thứ hai quanh bước sóng 1,3 mm thường được chọn cho các hệ thống truyền dẫn đường dài với dung lượng lớn. Và ở vùng này không có tán xạ vật liệu, không sợ ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn chỉ cần chú ý đến suy hao tín hiệu , do vậy , nếu có diode phát quang có công suất phát đủ lớn thì ta có thể sử dụng thay cho các diode laser hiện nay khá đắt tiền. Người ta cũng tính được độ dãn bước sóng tương đối Dl/l của ánh sáng lan truyền bằng : (2.18) Ở đây l , và bước sóng trung tâm và tần số của ánh sáng , Dls, B là độ rộng phổ của nguồn quang và độ rộng của tần điều chế . Vì vậy dù trong trường hợp lý tưởng, khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng 0, độ rộng tương của bước sóng điều chế phải được chú ý tới . HAI TRƯỜNG HỢP CỦA TÁN XẠ VẬT LIỆU : *Khi độ rộng phổ Dls của nguồn sáng là lớn : Laser làm việc theo chiều mode dọc và các loại diode LED khi dùng làm nguồn Sáng thì sẽ có độ rộng nguồn DlS lớn. Điều này dẫn đến DlS /Dl >> B/f ®DlS » Dl và do đó trể nhóm Dtn sẽ được quết định chủ yếu bởi DlS . phương trình liên hệ độ rộng băng tần B và ½Dtn ½: B = ( 2.19 ) Với A là một hằng số liên hệ giữa độ rộng trễ nhóm băng thông. áp dụng công thức trên ( 2.18 ) , ( 2.19 ) và DlS » Dl ta có : BL = A= const (2.20) * Khi độ rộng phổ nguồn DlS nhỏ : Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một laser đơn ngang và một laser đơn dọc , thì DlS có thể nhỏ hơn 0,01nm. Vì vậy : Nếu băng tần điều chế cở khoãng vài GHz thì ta có DlS / l << B/f. Nếu độ rộng băng tần B liên hệ với ½Dtn ½ bởi B = A / ½Dtn ½ với A là hằng số thì áp dụng công thức ( 2.19 ), ( 2.20) trên ta thu được : B ( 2.21 ) Như vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với căn bậc 2 của L. ở bước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoãng 90 ¸ 120ps/nm. Km. Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ Dl = 50nm thì độ nới rộng xung khi truyền qua mỗi Km là : Dmax =M x Dl Dmax = 100 ps/nm . Km x 50ns / Km Còn nếu nguồn quang là laser diode có Dl = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khoãng 0,3 ns / Km. ở bước sóng 1300nm tán sắc do vật liệu bằng dẫn sóng ngưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể bằng không. Do đó bước sóng 1300nm thường được chọn cho các đường truyền tốc độ cao. ở bước sóng 1500nmđộ tán sắc do vật liệu khoãng 20 ps /nm . Km. b). Tán sắc dẫn sóng : Sự phân bố của trường và hằng số lan truyền của các mode phụ nthuộc vào tỷ số của đường kính ruột 2a và bước sóng công tác l ( tỷ số 2a/l ). Khi đường kính ruột 2a của một loại sợi không đổi, các mode lan truyền với bước sóng l. lúc này gọi là một hàm của đặc tính hình học của sợi quang. như thế xung bị thu dãn rộng phụ thuộc vào bước sóng. Đối với sợi đa mode do đường kính ruột lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ . Còn sợi đơn mode có đường kính ruột khá nhỏ nên tán sắc này có ảnh hưởng đáng kể. Điều đáng nói là do sợi có đường kính ruột quá nhỏ nên khi truyền dẫn có một luồng ánh sáng lọt ra vỏ, mà vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ – ruột, có chiết suất thay đổi, nếu sinh ra trể nhóm. với sợi đa mode chiết suất bậc thì trị số tán xạ này có sẵn và không đổi nữa . XEM TRỊ SỐ DƯỚI ĐÂY: Dtg » với : b = 1 - (2.23) Trong sợi đơn mode có 0,2 < V < 2,4, hệ số d2 ( Vd ) / d V2 khoảng 0,1-0,2.Đối với tán xạ dẫn sóng ở xung quanh bước sóng 0,85mm ( cửa sổ truyền dẫn thứ nhất ) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bước sóng, giống như tán xạ vật liệu, do đó hai tán xạ này đều dương( cùng làm giản rộng xung ánh sáng ). Nhưng độ lớn của tán xạ dẫn sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu . ở bước sóng 1,25mm thì tán xạ dẫn sóng có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu . Tới bước sóng 1,27mm chúng sẽ có dấu khác nhau và sẽ làm suy giảm lẫn nhau tới không. c)Tán xạ mode: Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode . Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méo xung ( dãn xung ). Dạng xung ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính ; * Thành phần công suất từ nguồn quang được ghép với sợi quang . * Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang . Để có thể hiểu hiện tượng một cách đơn giản, người ta sử dụng phương pháp tia, coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưng nhờ một tia sáng. Sợi quang đựoc coi là lý tuởng, không gây ra hiện tượng trộn các mode với nhau và coi chiết suất của sợi quang không phụ thuộc vào bước sóng . Trong sợi SI , các tia sáng ứng với mỗi mode chạy theo các đường kính dzích dzắc với độ dài khác nhau , trong đó tia song song với trục quang có độ dài ngắn nhất . vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo ruột không đổi , nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần như nhau. vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là khác nhau. các tia đến đầu cuối sợi không cùng một lúc, mà có sự chênh lệch thời gian, gây ra dãn xung . Thời gian lệch giữa các tia sáng nhanh nhất và chậm nhất được tính như sau ( hình 2.24 ). Lớp bọc 1 Lỏi sợi 2 L Hình 2.24. So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI. Tia 1 : Tia dài nhất , có độ dài : d1 = L Tia 2 : Tia ngắn nhất , Có độ dài : d2 = L. Thời gian truyền của tia 1 : t1 = ( v = C/n1: vận tốc ánh sáng trong lõi) Mà : cos q1 = sinqc = Nên : cos t1 = d1 = Thời gian truyền của tia2: t2 = Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền là : Dt = t1 – t2 = (2.23) Trong đó: : Độ chiết suất tương đối Thời gian chênh loch trên mỗi Km sợi cũng chính là độ dãn xung do tán xạ mode. Dmod = (2.24) Tổng quát độ tán xạ mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết xuất của sợi đa mode thông qua số mủ g trong biểu thức hàm chiết xuất : n(r) = {n1 với 0 £ r £ a {n2 = n1(1-D) » n1(1-2D) với r ³ a (2.25) Sự phụ thuộc của d mod vào số mũ g cũng được biểu diễn theo hàm trên . Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi g ~ 2 và d mod tăng khá nhanh khi g có giá trị khác 2 về hai phía. Đây là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo sợi GI. ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN XẠ MODE ĐẾN BĂNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG. Gỉa thiết rằng không xẫy ra trộn mode, thời gian trể nhóm Dt trong một sợi đa mode do sự khác nhau giữa vận tốc nhóm của mode cơ bản và mode có số mode N lớn nhất được bởi : Dt = L (2.26) Với vgO ,vgN là vận tốc nhóm của mode cơ bản ,và mode N,L là chiều dài sợi quang. Độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi tuơng ứng với trể nhóm này được định nghĩa bằng : B = (2.27) Với A là hằng số liên hệ giữa B và Dt, phụ thuộc vào đặc điểm của phía thu. Từ hai công thức ( 2.26 ), ( 2.27 ) trên ta có tích số BL : BL = ( 2.28) Đối với sợi grandient có phân số chiết suất thay đổi theo a , với giả thiết tất cả các mode truyền dẫn ( 0®N ) có cùng công suất , tích số BL được tính bởi : BL = Với: N là số mode (2.29) Áp dụng cho tán xạ mode trong sợi chiết suất bậc. Đặt a = ¥ và Nm thì độ trễ nhóm Dtm giữa hai mode xa nhau nhất sẽ là n1 D L /c . do đó băng thông B = A /Dtm được cho bởi : BL = A (2.30) Trong trường hợp sợi grandient thuỷ tinh Silic, khi thay giá trị a = 3 là giá trị tương ứng với tán xạ đa mode thấp nhất , tích số : BL = 3A ( 2.31) So sánh hai tích số BL trên ta có thể thấy rằng băng thông của sợi grandient lớn hơn băng thông của sợi chiết suất bậc là 2/D d.) Tán xạ mặt cắt: Trong quá trình nghiên cứu , khi giả thiết chiết suất biến thiên theo bước sóng , người ta đều chia độ lệch chiết suất tương đối không phụ thuộc vào chiết suất l . Thế nhưng xem xét kỹ thì thấy rằng chiết suất n1 và n2 của ruột và vỏ biến thiên theo bước sóng không cùng một mức độ như nhau , nên gia trị cũng thay đổi theo bước sóng, gây nên hiện tượng tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt và đặc trưng qua tham số tán xạ P: P = (2.32) Trong đó n ( 0 ) là chiết suất ở tâm ruột và ng là chiết suất nhóm. Do tác động của tham số P, thì đường cong tán xạ mode bị dịch chuyển đi dọc theo trục tham số g , để có đỉnh đạt cực tiểu tại giá trị g = gopt. Từ ảnh hưởng phụ thêm của tán xạ mặt cắt, người ta thấy rằng mỗi sợi quang có độ rộng băng truyền lớn nhất tại một bước sóng cụ thể . ở mỗi vùng truyền dẫn tham số mặt cắt gopt khác nhau, do vậy cũng có chiết suất tối ưu khác nhau. vì vậy, mỗi loại sợi quang đa mode được chế tạo sẽ được tối ưu cho một vùng bước sóng công tác. Không có một loại sợi nào cho phép đặt độ rộng băng tần truyền dẫn lớn cả hai vùng cửa sổ, chẳng hạn ở 0,84mm và 1,2mm. e). Tán sắc tổng cộng: Như đã biết rằng tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode gồm các tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng là chủ yếu. Tán sắc D được diễn dãi bằng : D (l) = (2.33) Và được tính bằng ps/ ( nm. Km). Độ dãn tổng s của một xung quang trên sợi dài L được chọn bởi : s = D ( l ) . Lsl ( 2.34 ) Với sl là độ dãn bước sóng của nguồn phát . TÁN XẠ TỔNG CỘNG TÁN XẠ MODE TÁN XẠ ĐƠN SẮC TÁN SẮC DẪN SÓNG TÁN SẮC VẬT LIỆU Sợi đơn mode Sợi đa mode Hình 2.25. Các loại tán sắc trong sợi quang. Để đo tán sắc , thì phải xác định được trễ xung trên dãi bước sóng rộng . Tại điểm có tán sắc bằng không thì trễ xung sẽ tới giá trị nhỏ nhất . để tính toán tán sắc gần 1300nm, EIA đã khuyến nghị một phương trình Sellmeier loại 3 số hạng dưới dạng sau cho trường hợp xung trễ: t = A + Bl2 + Cl2 ( 2.35 ) Đối với tán sắc bằng không tại 1540nm , phương trình Sellmeier loại năm số hạng được khuyến nghị có dạng : t = A + Bl4 + Cl2 +Dl-2 +El-4 ( 2.36 ) Chỉ xét phương trình loại ba số hạng, ta có đạo hàm của đường cong tương ứng ; = 2B l - 2 C l-3 ( 2.37 ) Đối với bước sóng l0 có tán sắc bằng không. Đặt S0 là tốc độ của D (l) tại l0: D (l) = (2.38) Với So tính bằng ps/ ( nm2. Km ). Khi đo một tập hợp các loại sợi quang, ta sẽ có giá trị l0 trong dãi từ l0 tới l0max. Các giá trị tiêu biểu của S0 Là 0,091 ps/( nm2.Km ) đối với sợi đơn mode tiêu chuẩn , và giữa 0,07 ps/(nm2 .Km ) đối với sợi tán sắc dịch chuyển khuyến nghị G.652 của CCITT đã xác định tán sắc lớn nhất là 3,4ps/(nm . Km) trong vùng bước sóng 1285nm đến 1330nm. Ps/nm.Km 20 10 tán sắc vật liệu tán sắc tôngr cộng 0 10 -20 tán sắc dẫn sóng 1200 1300 1400 1500 l ( nm ) Hình 2.26. Tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode. Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức : Dt= (2.39) Với Dchr = Dmat +Dwg (2.40) Trong đó : Dt : Độ tán sắc tổng cộng ( nếu là sợi đa mode ) Dmod : Độ tán sắc mode ( chỉ có trong sợi đa mode ) Dchr : Độ tán sắc sắc thể Dmat : Độ tán sắc vật liệu Dwg : Độ tán sắc dẫn sóng Tính độ tán sắc của tuyến : Dt = ( 2.41 ) Trong đó : Dt : Tán sắc tổng cộng Dmod: Tán sắc mode được tính theo công thức: Dmod (ns ) = ( 2.42 ) BL : dãi thông giới hạn bởi tán sắc mode. L : Cự ly giới hạn bởi quỷ công suất Dchr : Tán sắc sắc thể Dchr = Dmat + Dwg , Dwg << Dmat Dchr » Dmat = dmat x Dl x L (ns )( ns) ( ns/nm .Km ) ( nm ) ( Km ) (2.43) Dmat: tán sắc vật liệu của tuyến Dwg : tán sắc ống dẫn sóng dmat : tán sắc vật liệu đơn vị Dl : độ rộng phổ nguồn quang TÍNH ĐỘ TÁN SẮC TỐI ĐA CHO PHÉP : Độ tán sắc tối đa cho phép phụ thuộc tốc độ thực tế của chuỗi xung trên đường dây quang nên phụ thuộc vào cấp ghép kênh và loại mã đường dây được sử dụng. Độ tán sắc tối đa tính theo công thức : Dmax ( ns ) = (2.44) B: Tốc độ bit thực trên đường dây quang . Br: Tốc độ bit x hệ số tăng bit của mã đường dây . SO SÁNH ĐỘ TÁN SẮC CỦA TUYẾN VỚI ĐỘ TÁN SẮC TỐI ĐA : Nếu Dr £ Dmat : dãi thông không bị giới hạn Nếu Dt > Dmat : dãi thông bị giới hạn . Trường hợp sau phải giảm cự ly của đoạn tiếp vận sao cho: Dt = Dmat Sợi đơn mode chỉ có tán sắc thể nên DT =Dchr » dmat x Dl x L ( 2.45 Do độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ, đặc biệt khi dùng ở bước sóng 1300nm , nên dãi thông của đơn mode rất rộng. trong nhiều trường hợp người ta không cần tính đến bước hai đối với sợi đơn mode. f. Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt: * Sợi dịch tán sắc : Trong những tuyến cáp quang đường dài bước sóng 1550nm được ưa chuộng hơn nhằm giảm số trạm tiếp vận vì độ suy hao ở bước sóng này chỉ vào khoãng phân nữa so với mức độ suy hao ở bước sóng 1300nm. Nhưng lại gặp một trở ngại là độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn . Để giải toả này người ta có thể đi theo hai hướng : - Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm Dmat = dmat x Dl Hướng này có liên quan đến công nghệ chế tạo laser băng hẹp hay còn gọi là laser đơn tần ( Single frequency Laser ) Dịch điểm có tán sắc bằng không đến bước sóng 1550nm. lúc đó ở bước sóng 1550nm sợi quang vừa có thể suy hao thấp vừa có tán xạ nhỏ Để có sợi dịch tán sắc, dạng phân bố chiết suất của sợi như (hình 2.27). Lúc đó tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550nm. Đường biến thiên tán sắc của sợi dịch tán sắc như (hình 2.27). * Sợi san bằng tán sắc :Dung lượng của sợi quang có thể nới rộng ra bằng cách dùng hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật này được gọi là ghép kênh theo bước sóng (Wavelength Divíion Multiplexing ) để thực hiện tốt kỹ thuật này cần một loại sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong một khoãng bước sóng chứ không chỉ một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc. Dạng phân bố chiết suất của nó và sự biến thiên tán sắc theo bứoc sóng như trên (hình 2.28). Do sự phức tạp của nó, sợi san bằng tán sắc mới chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm. S/nm.Km 8 sợi bình thường dùng ở 1310nm 4 sợi tắn sắc dùng ở 1550nm 0 -4 -8 1200 1300 1400 1500 1600 1700 (nm) Hình 2.28. Tán sắc sắc thể của các loại sợi quang. 2.3.4. ảnh hưởng của sự trộn mode trong sợi quang: Khi không có hiện tượng trộn mode thì giá trị tán xạ ( độ dãn xung ) tăng tuyến tính với chiều dài sợi, nên vừa hạn chế băng tần truyền dẫn , vừa hạn chế cự ly truyền dẫn . Trên thực tế không phải sợi luôn luôn thẳng một cách lý tưởng , cũng như không phải lúc nào cũng dạng hình trụ, mà thường có những chổ uốn cong nhỏ hoặc tiết diện sợi hình elíp, còn xuất hiện những chổ không đồng nhất khác. Do vậy đường đi của các tia sáng bị thay đổi chút ít , hoặc có đôi chổ không thoả mãn phản xạ toàn phần, góc phản xạ khác với góc tới .. (Trên hình 2.29 ) 1 2 Hình 2.29. Các tia sáng đi qua sợi quang uốn cong. 2.3.5.Sự trộn mode vừa có vừa tác dụng vừa gây hại được cụ thể như sau: Chỉ sau khi đi một đoạn nào đó, thì mới có sự phân bố năng lượng cho các mode, gọi là trạng thái cân bằng mode, và sau đó thì không thay đổi nữa. Độ dài ban đầu này được gọi là đoạn ghép, có giá trị vào khoãng vài trăm m đến vài Km( ký hiệu là Lk) tuỳ theo sợi. Trong quá trình trộn mode, người ta thấy rằng hầu như các mode bậc cao hơn dễ bị ảnh hưởng nhiều và rất dễ vượt ra khỏi ruột sợi, nên các mode bậc cao chỉ còn một phần năng lượng nhỏ. Các mode bậc cao ứng với các tia dzich dăzc hơn, chính chúng gây ra độ lệch thời gian lớn hơn so với các tia dọc trục, vì thế khi chúng đi ra khỏi ruột sợi thì độ giãn xung cũng giảm bớt đi. Như thế trên một sợi quang dài người ta thấy rằng ban đầu thì tán xạ mode tăng tuyến tính với độ dài sợi nhưng khi đi hết đoạn ghép Lk thì tăng chậm. lại, tỷ lệ với căn bậc hai của độ dài L. Khi L nhỏ thì tán xạ mode là: t(L) » t’.L (2.46) Khi L lớn thì tán xạ mode được tính gần đúng bằng: (2.47) Độ dài đoạn ghép Lk đặc trưng cho sự trộn mode của sợi. Ngoài ra sự trộn mode có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn của sợi. Nếu sợi không có trộn mode thì độ rộng băng truyền dẫn giảm tuyến tính theo độ dài sợi L của sợi. Khi có trộn mode thì độ rộng băng truyền dẫn giảm không theo tuyến tính nữa, mà với mức độ ít hơn. Nói một cách gần đúng, có thể nói rằng ban đầu độ rộng băng truyền dẫn ( do ảnh riêng của tán xạ mode) giảm theo 1/L và sau đó giảm theo giá trị: 1/ Khi quang sát thực tế, ta thấy rằng có thể biểu thị quan hệ của độ rộng băng truyền dẫn bị hạn chế bởi tán xạ theo công thức: Bm=Bm (2.48) Với Bm là độ rộng băng truyền dẫn trên đoạn 1 kilômet. Gía trị độ dàI đoạn ghép Lk và độ rộng băng Bm cần phải đo trong thực tế, hoặc tính trước. Thế nhưng người ta chưa xác định chính xác được, do đó 2 đại lượng này cần xác định theo kinh nghiệm cho loại cáp quang mình sử dụng. Bm(MHz) 1000 100 2 1 10 9 10 100 L(Km) Hình 2.30. Quan hệ giữa Bm và độ dài L. Đường 1: Giảm tuyến tính theo lý thuyết. Đường 2: Thực tế giảm ít dốc hơn. 2.4 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC : Trên lý thuyết , đường bao lỏi và lớp bọc trên tiết diện của sợi quang là những hình tròn, đồng tâm. thực tế thì các đường bao trên có thể bị méo và lệch tâm trong một phạm vi nhất định ( hình 2.31). Các thông số hình học của sợi mode tiêu chuẩn như sau: Đường kính lõi: d = Đường kính lớp bọc : D = Độ méo lõi : Độ méo lớp bọc : Độ lọc tâm : Các thông số hình học của sợi đa mode tiêu chuẩn 50/125mm: d = 50 ± 3mm D = 125±3mm e £ 3% E £ 2/5% c £ 3% d0 0 dmax Dmin X dmin D0 Dmax Hình 3.31. Dạng hình học của sợi quang. 2.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CÁP SỢI QUANG: Sợi quang muốn đưa vào sử dụng được cần phải được bọc thành cáp . sợi quang là thành phần chính của lỏi cáp có chức năng truyền dẫn tín hiệu . trước khi được bọc thành cáp, sợi quang được bọc một lớp vỏ sơ cấp có đường kính danh định là :250mm, lớp vỏ này phải đảm bảo yêu cầu dể dàng tách ra khỏi sợi mà không gây ảnh hưởng đến sợi. sợi đã bọc so cấp phải không bị đứt khi kéo một lực làm dãn sợi tối thiểu 0,5% trong thời gian 1 giây. Sau đây là yêu cầu đối với sợi cáp : Về cấu trúc cáp sợi quang, cáp phải đảm bảo tính cơ học và đặc tính truyền dẫn ổn định trong suốt quá trình lắp đặt và khai thác, có khả năng chịu được tác động của môi trường, cho phép khả năng vận chuyển, lắp đặt thi công dễ dàng và sữa chữa thuận tiện . Cáp phải đảm bảo sẽ nhận dạng , dễ dàng phân biệt được với cáp kim loại bằng cách đánh đấu cáp. sợi quang trong cáp phải nhuộm màu rõ ràng đễ dễ phân biệt, dễ dàng cho mắt thường, bền màu trong quá trình khai thác cáp . Thành phần gia cương của cáp là rất quan trọng , nó phải đảm bảo giữ cho cáp không bị kéo căng quá, phải có độ mềm dẽo cần thiết, vừa tạo độ bền cho cáp, Vừa đảm bảo dễ dàng sản xuất, thi công lắp đặt. nếu thành phần giá cương là kim loại , phải đảm bảo để hiện tượng ăn mòn không vượt quá cho phép . * Chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo hệ số dãn nở, không đông cứng ở nhiệt độ thấp, không cản trở sự di chuyển của sợi trong cáp. chất làm đầy cũng không gây ra độc hại, không gây ảnh hưởng tới các thành phần khác trong cáp , không làm phai màu sợi . Vỏ cáp phải đảm bảo bảo vệ tốt được lỏi cáp khỏi bị những tác động cơ học và những ảnh hưởng của môi trường bên ngoài trong quá trình lắp đặt , khai thác và lưu giữ. đối với cáp treo, vỏ cáp phải đảm bảo không suy giảm chất lượng do bức xạ tử ngoại. CHƯƠNG: III MỘT SỐ CÁP SỢI QUANG 3.1.ỨNG DỤNG CỦA ỐNG ĐỆM TRONG CÁP SỢI QUANG. Trong hầu hết các ứng dụng của sợi quang đa mode và đơn mode đều phải tăng cường khả năng trống đỡ các ảnh hưởng từ bên ngo._.